一、超声波概述 超声波是一种机械波，是机械振动在媒质中的传达进程。20kHz 以上频率的机械波称为 超声波，其波长较短，近似直线传达，在固体和液体媒质内衰减比电磁波小，能量简单会集， 可构成较大强度，发生剧烈振动，并能引起许多特殊作用。 用来发射和接纳超声波的设备称为超声波换能器，超声波换能器可分为发射换能器和接 收换能器两大类。发射换能器是使其他办法的能量转换为超声波的能量，而接纳换能器是使 超声波的能量转换为其他办法易于检测的能量。 流量丈量中常选用压电换能器，制造压电换能器的资料有压电单晶体（如石英）和多晶 压电陶瓷（如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷等）。 压电片的振动办法有薄片的厚度振动、纵片的长度振动及横片的长度振动等。 二、超声波流量计原理 超声波在顺流与逆流中传达速度之差与介质流速有关，测得介质流速即可得出流量。超 声波在顺、逆流中传达状况如图 5-16 所示。测定传达速度差的办法许多，主要有时刻差、 相 位差和频率差等办法。

  设停止流体中的声速为 c，流体流速为 w，流体停止时超声轨道与管道轴线之间的夹角 为θ,管道直径为 d，则

  (2)逆流传达时刻为 式中 T — 超声波在管壁内和电脉冲信号在电路中传输所发生的滞后时刻的总和。 (3)时刻差

  超声波流量计实践测定的是流体速度，它将受速度散布不均的影响，故要求变送器前后 别离有 10D 和 5D 的直管段长度。

  式中 f1、f2 — 超声波在顺流和逆流中传达的频率； v — 流体均匀流速。

  当 D、θ、τ、c 为常数时，频率差∆f 与流体均匀流速成线性关系，因而，只需能够测出频率差即可得到 流量。因为τ很小，在大口径管道中括号内的第二项可疏忽，去掉滞后时刻τ后可得

  2. 相位差法. 假如换能器发射接连超声波或许发射周期较长的脉冲波列，则在顺流和逆流发射时接纳 到的信号之间就发生了相位差∆φ=ω∆t，而ω=2πf，则流速公式为

  ∆φ — 顺流和逆流发射时接纳到的超声波信号之间的相位差。 可见相位差和频率成正比，频率越高，丈量的灵敏度也越高。选用相位差法能够消除声 速的影响。 3.频率差法 在管壁的斜对面固定两个超声波换能器，并兼作超声波发送和接纳单元。由一侧的换能 器发生的超声波脉冲顺次穿过管壁、流体、管壁为另一侧的换能器所接纳，并转换为电脉冲， 经扩大后再用此电脉冲来激起对面的换能器，构成单环自激振动，振动周期由超声波在流体 中的顺流传达速度决议。周期的倒数即单环频率。 一段时刻距离今后，切换电路使发射换能器切换成接纳换能器，接纳换能器切换成发射 换能器，测出取决于超声波在逆流中传达速度的单环频率。如此循环替换地测出 f1、f2。

  存在的问题：①声速 c 受介质温度、密度等改变的影响，且声速的温度系数并非常数。 当声速改变时，由此发生的流量丈量的相对误差将等于声速相对误差的两倍；②时刻差 Ar 的数量级很小。例如 D=300mm，v =1. 33m/s, c =1500m/s, θ=20°时，∆t=1×10-6s。 如 果要确保 1%的准确度，则要求丈量时刻差∆t 到达 0.01μs 的准确度，所以对电子线路 的要 求很高，并且约束了丈量流速的下限。

  超声波流量计是一种新式流量计，它分为能动型和被迫型两大类。能动型依据作业原理 不同又可分为速度差法（超声波在顺流与逆流中传达速度之差与介质流速有关)、射束位移 法（在流体中传达的超声波束会因流体的活动而发生偏移，此办法宜测高速流体的流量，准 确度较低）和多普勒效应法（对液体中心的悬浮物接连发射超声波，丈量与流束有关的反射 波的频率移动。此办法适用于液体中含有很多异物和气泡等的场合）。被迫型是丈量活动产 生的声响，也叫听音法。本节扼要介绍速度差法。

  超声波流量计归于非触摸式丈量外表，对流体活动无搅扰，无阻力，不发生压力丢失； 受介质物理性质的约束比较少，适应性较强。它可用于高温、高压、防爆、强腐蚀性、黏性、 非导电、浑浊度大的液体的流量丈量，并且准确度高；量程比较宽，可达 5: 1;输出 与流 量之间为线性；装置便利。只需将管外壁打磨光，擦上硅油，使其触摸杰出即可。其缺 点 是当液体中含有气泡或有噪声时，会影响声波传达；结构较为杂乱，本钱高。