超声流量传感器与超声电子水表

随着新的国家标准贯彻实施，电子水表逐步进入人们视线。代表电子水表主要技术的超声水表及其超声流量传感技术由于在性能上有着一系列的特色和优势，其影响日益扩大，使用量也日见增多。

超声流量传感技术具有其它流量传感技术所不具备的诸多特点，主要有：可以较好地解决大管径、大流量以及各类明渠、暗渠的流量测量难题；对被测流体介质几乎无要求，不仅可以测量液体，也可测量气体；由于采用非接触方式，所以不破坏被测流体流场，也无压力损失；流量测量的准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等物性参数影响；仪表价格不随测量口径的增大而大幅上升；可在测量管外侧测量管内流体流速等。

但单声道超声流量传感器为了保证流量测量准确度，其上游侧应有足够长的直管段。多声道超声流量传感器测量准确度较高，对直管段要求可以大大降低；超声流量测量对被测水质有一定要求。用时差法测量时，当水中有较多气泡、悬浮物或换能器表面附有污物，会阻碍超声波的正常传播，致使测量无法进行；随着测量管径减小，采用时差测量法原理的超声流量传感器会遇到测量误差增大的困惑。此时应设法增加正、逆向测量的时间差，提高计时分辨力，保证小流量测量的准确性和重复性。

超声流量传感器以及超声电子水表可以采用换能器外挂方式（见图1）和换能器侵入方式（见图2）。

时差法超声流量传感器的原理与特性

超声流量传感器是超声电子水表的关键核心部件，它主要由测量管、超声换能器、收发电路、计时脉冲发生器和精密计时控制器等组成。当前，超声流量测量方法大多采用时差法或速度差法测量管道内水流体的流速、流量等参数，进而积算成用水量的实际体积值。超声时差测量法的工作原理见图3，正、逆向传播时间、时间差和线平均流速的计算公式可分别参见式（1）～（3）。

由于

所以

或

式中，t1-2 —超声波正向传播时间； t2-1—超声波逆向传播时间；Δt —超声波正、逆向传播时间差；c —超声波传播速度；v —流体轴向平均线流速; D—管道直径； φ—超声波传播方向与流体轴线间的夹角。

图3、超声时差测量法工作原理图

由于声速c是被测介质温度与成分的函数，后期发展的时差测量法则是利用超声波在正、逆向传播的速度之差来反映流体的流速，因此避免了介质温度或成分变化对超声流量测量准确度的影响，因此也称速度差法。现将式（1）的形式作如下改变，

将式（4）两式相减得，

将代入式（5）得，

式（6）已消去了超声波传播声速项。只要测得正、逆向时间（t1-2、t2-1）和时间差Δt，即可得到声道上流速的线平均值v。