1引言

利用超聲波脈沖測量流體流量的技術發展很快。基于不同原理，適用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現，其應用領域涉及到工農業、水利、水電等部門，正日趨成為測流工作的首選工具。

2超聲波流量計的測量原理

超聲波流量計常用的測量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測量超聲波脈沖順水流和逆水流時速度之差來反映流體的流速，從而測出流量；多普勒法的基本原理則是應用聲波中的多普勒效應測得順水流和逆水流的頻差來反映流體的流速從而得出流量。

2.1時差法測量原理

時差法測量流體流量的原理如圖1所示。它利用聲波在流體中傳播時因流體流動方向不同而傳播速度不同的特點,測量它的順流傳播時間t1和逆流傳播時間t2的差值,從而計算流體流動的速度和流量。

圖1超聲波流量計測流原理圖

設靜止流體中聲速為c，流體流動速度為v，把一組換能器P1、P2與管渠軸線安裝成θ角，換能器的距離為L。從P1到P2順流發射時，聲波傳播時間t1為：

從P2到P1逆流發射時，聲波的傳播時間t2為：

一般c>>v，則時差為：

單聲道測試系統只適用于小型渠道水位和流速變化不大的場合。大型渠道水面寬、水深大，其流速縱橫變化也較大，須采用多聲道超聲波測流才能獲得準確的流量值，見圖2。應用公式(5)、(6)可測得流量Q。

以上各式中：d為垂直于水流方向上兩換能器之間水平投影的距離，為聲道數，S為兩聲道之間的過水斷面面積。

圖2多聲道超聲波流量計測流原理圖

2.2多普勒法測量原理

多普勒法測量原理，是依據聲波中的多普勒效應，檢測其多普勒頻率差。超聲波發生器為一固定聲源，隨流體以同速度運動的固體顆粒與聲源有相對運動，該固體顆粒可把入射的超聲波反射回接收器。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運動而產生的聲波多普勒頻移。由于這個頻率差正比于流體流速，所以通過測量頻率差就可以求得流速，進而可以得到流體流量，如圖3。

圖3多普勒超聲波流量計測流原理圖