超声波流量计的工作原理及优缺点

流量测量涉及确定在特定时间通过容器的指定表面积的流体量。与所有形式的测量一样，它具有日常生活应用，从用于监测水和气体消耗以进行账单估算，到更关键的工业应用（例如，多种化学品的大规模混合），其中流速测量在维持流量方面起着关键作用。过程/产品的质量。

为了确定流量，使用称为流量计的特殊类型的仪表。由于流量测量的不同要求（线性/非线性，质量/体积率等），有许多不同类型的流量计。仪表根据不同的因素而有所不同，包括：他们应用的测量技术、他们监控的具体流量参数、他们可以跟踪的流体体积，以及他们的物理属性等等。

流量计的一些类型/类别包括：涡轮、涡流、热质量、磁、椭圆齿轮、桨轮、科里奥利、质量流量、低流量和超声波流量计，这是本文的重点。超声波流量计提供了一种非侵入性、非常可靠的方法来确定流过容器的流体量，它们已在从石油和天然气到公用事业供应商的不同行业中找到应用。

在本文中，我们将研究超声波流量计的所有内容，它们的工作原理、优点和缺点。

超声波流量计

顾名思义，超声波流量计是应用广泛的流量计之一，它是一种非侵入式设备，通过超声波测量流体的速度来计算流体的体积流量。它几乎可以测量声波可以传播的任何流体中的流体流量。这种类型的流量计通常被认为是“混合”的，因为它可以使用多普勒原理或传输时间方法来测量流量，我们将在本文后面讨论这两种原理。请注意，如果这些流量计使用多普勒原理运行，它们也称为多普勒流量计。

超声波流量计最适合需要低压降、低维护和化学相容性的水应用。它们通常不适用于饮用水或蒸馏水，但适用于废水应用或导电脏液体。它们与磨蚀性和腐蚀性液体一起使用，因为它们不会阻碍液体流过管道。

超声波流量计的工作原理

超声波流量计使用回声原理和不同介质中声速的变化来测量流量。仪表通常包含两个超声波换能器，一个用作发射器，另一个用作接收器。两个换能器可以并排安装，也可以彼此成一定角度安装在容器的相对两侧。发射换能器从传感器表面向流体发射声脉冲，并由指定为接收器的换能器接收。然后估计声脉冲从发射器传播到接收器所花费的时间（称为传输时间），并将其用于确定流速和其他参数。

对于第二种配置，发射器和接收器并排放置，发射器发射声音脉冲，而接收器监控接收传输回波所需的时间。

无论传感器配置如何，通过时间差的测量都是基于以下事实：在介质流动方向上传播的声波比在介质流动方向上传播的声波移动得更快。因此，传输时间的差异与介质的流速成正比，这一原理用于精确测量气体和液体的体积，也可用于导出密度和粘度。

虽然上述两种方法是非常常用的方法，但不同的超声波流量计会根据液体的类型和要进行的测量使用这种方法的修改版本。下面的超声波水表图像说明了上游和下游传感器如何与一些反射器一起放置在传感器管道内，以用于水流量计设计。还显示了相同的实际硬件设置，并标记了两个传感器。

使用超声波流量传感器计算流量

为了更清楚地了解这背后的技术细节，请考虑下图，该图具有第一种配置，发射器 （TA） 和接收器 （TB） 传感器以彼此相对的角度安装；

设声波从发射器传播到接收器所需的时间，即在介质的流动方向上为 T A –B，以及它从接收换能器移动到发射换能器所需的时间，即逆流向 T B –A。

两次通过时间的差异与介质的平均流速 v m成正比，即；

T B –A – T A –B = v m ------------- 公式 1

由于信号的传输时间是发射换能器和接收发射器之间的距离除以声信号从一个换能器传播到另一个换能器所需的速度，我们有

T A –B = L / （C AB + v*cosα） -------------- 公式 2

和;

T B –A = L / （C BA – v*cos α） --------------- 公式 3

等式 2 和 3 定义了上游传感器 A 和下游传感器 B 之间的流速。在哪里;

v = 介质的流速，L = 声学路径的长度，c = 介质中的声速，α“α”是超声波从发射器传播到接收器时与管道的角度。

假设介质中的声速是恒定的（即流体密度、温度等参数没有变化），我们有；

（L / （2 * cos）） * （T B–A – T A–B ） / （T B–A x T A–B ）

将平均速度乘以管道的横截面积，我们得到流量 Q 为；

Q = （π * D 3 ） / （4 * sin 2α） * （T B–A – T A–B ） / （T B–A x T A–B ）

对于直径为 D 的在线超声波流量计，管道的横截面积是恒定的。这些方程的实施没有密度、温度、压力、声速和其他介质/流体定义的特性等变量，展示了原因超声波流量计的多功能性和准确性的背后。

超声波仪表的优点/意义

超声波流量计的主要优点必须是它们的非侵入性以及它们与任何类型的流体一起工作的能力（因为流体中的密度和声速并不重要）。每天通过管道系统运输和分配具有不同特性的各种物质（包括化学品、溶剂、油等），需要对其流量进行监控。超声波流量计的非侵入性特性使其成为此类情况下的 goto 流量计。这就是为什么它们在不同的工业领域都有应用，从化学相关行业到食品加工、水处理以及石油和天然气行业。

缺点

超声波流量计的主要缺点必须是它们的价格。由于其设计的复杂性，超声波流量计通常比机械或其他类型的流量计更昂贵，因为它们需要更多的努力和组件，除了设计复杂性和成本之外，与大多数其他类型的仪表相比，超声波流量计还需要一定水平的安装/处理专业知识。