一．引言
首先家簡單介紹一下流量計的概念
凡是有物質流動的場合，人們?yōu)檎莆掌鋽?shù)量都需要流量測量。流量分為瞬時流量（Flow Rate）和累計流量（Total Flow）
瞬時流量（Flow Rate）：單位時間內過封閉管道或明渠有效截面的量。流過的物質可以是氣、液、固體。數(shù)學公式： ,v為流體的體積,工程上常用的單位m3/h.
累計流量（Total Flow）：在某一段時間間隔內（可以是一天、一周、一月、一年）流體流過封閉管道或明渠有效截面的累計量稱為累計流量，通過將瞬時流量對時間積分可求得累計流量。數(shù)學公式：
流量計（Flowmeter）：用以測量瞬時流量或累計流量的器具統(tǒng)稱為流量計
流量計廣泛應用于能源計量如水，氣等含能工質。流量計的種類繁多，可大體分為幾大類，約幾百種以上。
（1） 差壓式流量計：1.皮托管 2.孔板 3.文丘里管。
（2） 轉子流量計
（3） 容積式流量計：1.橢圓齒輪 2.腰輪 3.刮板 4.旋轉活塞
（4） 渦輪流量計
（5） 電磁流量計 ：大管徑，造價高。安裝時需要停水斷管
（6） 渦街流量計
（7） 超聲波流量計
（8） 質量流量計
（9） 其它流量計
上述流量計優(yōu)、缺點，用途各異。用戶選表總想找到一種理想的流量計以解決它的流量計量問題，而流量計制造廠都力圖制造出一種理想流量計以適應更廣泛的需要。總結千百種流量計的所有優(yōu)點可以提出理想流量計的條件如下：
1．檢測件*物；
2．檢測件可夾裝在管道外部，可隨意移動在任何地點測量而無須截斷管道與流體；
3．儀表的流量計算方程簡單明確，可外推到未知領域而無須實流校驗；
4．頻率脈沖輸出信號，數(shù)字式儀表，便于遠傳抗干擾及與計算機聯(lián)網(wǎng)；
5．儀表輸出信號不受流體流動特性的影響；
6．儀表復現(xiàn)性高；
7．儀表范圍度寬，線性好；
8．儀表可靠性高，價格適宜，維修技術不復雜；
9.無須個別實流校驗，或只須“干校”，或在一、二種介質中校驗可推廣到各種介質；
10.檢測件輸出信號直接反映質量流量。
可以說至今并沒有出現(xiàn)上述的理想流量計，所有流量計都多少具備一些上述條件，只不
過有的多些，有的少些。所有流量計制造廠試制新產(chǎn)品都力圖能更多地具備上述條件。
我們今天介紹的超聲波流量計，目前之所以能被相當廣泛的用戶普遍接受是有客觀原因的。主要是它能在更多方面更好地滿足理想流量計的一些條件。
二．超聲波流量計的歷史
（1） 1928年德國人研制成功*臺超聲波流量計，并取得了。至今超聲波流量計以有
75年歷史
（2）1955年首先應用于馬克森（MAXSON）流量計測量航空燃燒油，這是一種基于聲循環(huán)法的兩組探頭（換能器）組成的液體流量計
（3）1958年A.L.H-ERDRICH等人發(fā)明折射式探頭，由于他們的研究可進一步消除由于管壁
的交混回響所產(chǎn)生的相位失真，也為管外夾裝提供了理論依據(jù)。
進入20世紀七十年代以后，由于集成電路和鎖相環(huán)路技術的發(fā)展，使超聲波流量計得以克服以前的度不高，響應慢，穩(wěn)定性與可靠性差等致命弱點，使實用的超聲波流量計得以發(fā)展。
近20年來特別是近10年來，基于高速數(shù)字信號的處理技術與微處理技術的快速發(fā)展，基于新型探頭材料與工藝的研究以及聲道配置與流量動力學的研究，超聲流量測量技術取得了長足進展，顯示了強勁的技術優(yōu)勢，發(fā)展勢頭迅猛。2000年在巴西召開的流量測量學術會議（FLOMEK-O‘2000）上共宣讀學術論文集103篇，其中直接涉及超聲波流量計及超聲波技術的論文20篇，約占論文總數(shù)的1/5。在歷次流量學術會議上，采用超聲波流量計作為傳遞標準的文獻愈來愈多，可見超聲波流量計其潛在的巨大的生命力。
三．超聲波流量計的分類
（1） 按原理分：
A． 傳播速度差法：
a. 時差法（目前zui常采用此法）b.頻差法（聲環(huán)法）c.相位差法
d. 多普勒法（目前zui常采用此法）e.相關法 f.射束位移 g.渦街法
（2）按探頭（換能器）安裝方式分：
A．外夾式
B．插入式（即濕式）又分為：
a.帶測量管段的 b.不帶測量管段，直接在工藝管段上實現(xiàn)安裝的。
（3）按聲道數(shù)目劃分：
A．單聲道
B．多聲道（2—8聲道）
（４）按性能分；
Ａ．標準型 B．固定式 C．便攜式 D．低溫防水型 E．其他
四．超聲波流量計的基本原理
1．基本原理
超聲波在流動的流體中的傳播速度與流體的流速有關。相對于固定座標系（如管壁），順流的超聲波的傳播速度將大于逆流的傳播速度。為實現(xiàn)流量（流速）測量，首先需要有一個發(fā)射超聲波的換能器（俗稱超聲波探頭），通常采用石英等材料制成的壓電元件作為換能器。發(fā)射超聲波時是利用負壓電效應，即利用高頻電脈沖的作用，使壓電晶體高頻振動，從而發(fā)出脈沖變化的高頻壓力波（即超聲波）。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由裝在管道對面的接收換能器接受。接受換能器則利用正壓電效應，將高頻壓力波又轉換高頻的電脈沖信號。
可以輪流交替地利用同一個換能器及發(fā)射高頻、短時的脈沖壓力波，又用來接收對面換能器發(fā)來的脈沖壓力波?？梢杂靡唤M換能器兼做超聲波的收、發(fā)用。由于人耳聽到聲音的上限頻率是20千赫，而此種流量計所收、發(fā)的壓力波的頻率是0．5—10兆赫（典型頻率是1MHz）,屬于超聲波范疇，超聲波流量計因此得名。
2．管外夾式時差式液體超聲波流量計的工作原理
該類型流量計利用測量超聲波在管道中傳播時間原理而實現(xiàn)的。介質（液體）在管道中流速，與超聲波沿介質順流和逆流傳播的時間差存在著線性關系。只要分別測量出超聲波順流、逆流的傳播時間，就可以依據(jù)線性關系得到沿管道路徑上各點流速的瞬時平均流速。這樣，介質流量則可以通過流速、管道截面積以及雷諾數(shù)等得到。
當超聲波束在液體中傳播時，流體的流動將使傳播時間產(chǎn)生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，由此可求出液體的流速。
如下圖所示：在待測流量管道外表面上，按一定相對位置安裝一對超聲探頭。安裝方式分為“Z”法和“V”法。一個探頭受電脈沖激勵產(chǎn)生的超聲脈沖，經(jīng)管壁—流體—管壁為第二探頭所接收。從發(fā)至收超聲脈沖傳播時間，依其順逆流向分別為：
忽略聲波在聲楔，管壁及處理電路中的時延t
………………………………（1）
………………………（2）
……………………（3）
…………………………（4）
………………………（5）
……………………（6）
………………（7）
……………………（8）
根據(jù)（1）~（8）式,可得出流體沿直徑方向上的平均流速：
………………（9）
流量………………………（10）
瞬時流量：單位時間流過流體管道橫截面的流體流量，常用單位:m3/h。
累計流量：在一段時間內流過管道橫截面的流體流量（積分流量）常用單位:m3。
其中： L——聲程
M——聲束在液體中的傳播次數(shù)
D——管道內徑
θ—超聲波束入射角
C0——靜止時流體聲速
V——管內流體沿管軸向的平均流速
TUP——聲束在正方向上的傳播時間
TDOWN——聲束在逆方向上的傳播時間
△T——聲束在正逆兩個方向上的傳播時間差
3．超聲波流量計的基本性能
（1） 實現(xiàn)了非接觸在線測量（外夾式傳感器）。
（2） 無阻力無壓力損失，無深度插入部件，無可動部件，不影響介質流動參數(shù)和狀態(tài)。
（3） 安裝位置靈活，直管段要求上游10D，下游5D。
（4） 測量范圍寬廣，既可測量小管徑（100mm以下），又可測量大管徑（zui大到6000mm），性價比高。儀表對介質流速的高靈敏度，使得測量極慢或快速流動介質時，均可滿足精度要求。
（5） 可以不斷流拆裝、維修、在線維修極為方便。
（6） 適用于各種工作環(huán)境，可在高低溫、潮濕、粉塵、振動等環(huán)境下長期穩(wěn)定地工作，一次安裝，長期使用，維修量極少。
以上這些特性是由超聲波流量計的原理所決定的。
五．FV4018型超聲波流量計簡介
FV4018型流量計是一種通用的時差型超聲波液體流量計，適用于工業(yè)環(huán)境下連續(xù)測量不含大濃度懸浮粒子或氣體的絕大多數(shù)清潔均勻液體的流量。
FV4018系列超聲波流量計是我公司在前一版FV3018的基礎上吸取了國內外現(xiàn)有同類機型
的優(yōu)點，并采用了超大規(guī)模集成電路CPLD技術設計制造，精度達到1級的時差式超聲波流量計。
基本構成如下：
1．聲學系統(tǒng)：由安裝于待測管道外表面的一對超聲波探頭（換能器）組成。
2．測量主機：主機與探頭之間由兩根雙屏蔽電纜連接。
測量主機可以外接遠傳裝置、控制器等。
1．FV4018的特點
FV4018型流量計是基于微處理器技術，自身完備的流量測量儀表，與其它常規(guī)型流量計
或其它超聲波流量計相比具有下列更多的優(yōu)點。
² 采用超大規(guī)模集成電路CPLD技術，小型化設計，硬件數(shù)目少，表貼工藝，低功耗。高可靠性、高適用性、強抗干擾性設計，可用于幾乎全部工業(yè)環(huán)境中。
² 優(yōu)化的智能信號自適用處理，使用者無需任何電路調整，并加快了流量計的響應時間，使安裝更容易簡單。
² 全窗口化的軟件操作，使用方便可靠，并且功能多。
² 可使用公制或英制單位，流量的單位可選用幾乎所有常用的中外通用單位，在帶背光液晶顯示器上顯示流量、流速、累積量及日期時間等。
² 日、月、年流量累積功能可記錄前64個運行天、前64個運行月、前5個運行年的流量。
² 上、斷電管理功能可記錄前64個上電、斷電時間及上斷電時刻的瞬時流量，保護所有數(shù)據(jù)，用戶可以選擇自動或手動補量，便于累計數(shù)據(jù)的修正和管理。
² 完備的輸出信號包括繼電器、集電極開路、頻率信號輸出、4－20mA電流環(huán)
² 模擬輸出等，帶倍乘因子（量程）的機內七位數(shù)長的正向、負向、凈流量獨立工作，并可通過繼電器或集電極開路電路輸出累計脈沖和頻率輸出信號。
從前面所講的超聲波流量計工作原理可知，超聲波流量計測量技術的核心在于超聲波傳播時間的測量，F(xiàn)V4018型流量計使用了可達0.1nS超高分辯率、超高線性、超高穩(wěn)定的時間測量電路，加上機內使用的32位長數(shù)字處理程序，保證了FV4018比其它任何類型的流量計具有更高的分辯率和測量范圍。
在設計上，采用了世界上的集成電路及微處理器智能控制，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中元器件參數(shù)無調整化，提高了產(chǎn)品可靠性，產(chǎn)品一致性好，保證每一臺出廠的機器都達到*性能、工作狀態(tài)。
2.性能、參數(shù)見下表：
| 項目 | 性 能、參 數(shù) |
| 測量主機 | 測量原理 | 時差原理，雙CPU，測量周期250mS |
| 顯示、操作 | 2×20字符背光液晶顯示，4×4輕觸鍵盤 |
| 打印輸出 | 便攜式：機內配備微型打印機 |
| 輸出 | 電流信號：4～20mA或0～20mA，阻抗0～1KΩ浮空，精度0.1%；頻率信號：12-9999Hz之間任選（OCT輸出）；報警信號：繼電器及OCT輸出，近20種源信號可選；數(shù)據(jù)接口：全功能RS232串行接口 |
| 其它功能 | 記憶日、月、年累積功能；上、斷電時間及流量管理功能；自動或手動補加累計量功能，記憶每天的工作狀態(tài)；故障自診斷功能；遙控網(wǎng)絡工作方式 |
| 測量精度 | 優(yōu)于1.0% |
| 流速范圍 | 0~±30m/s |
| 傳感器 | 標準型適用于≤3000mm , 插入式適用于≥100mm |
| 電纜長度 | 可加長至200m（超過此長度請同廠家） |
| 管道 | 管 材 | 鋼、不銹鋼、鑄鐵、硬質塑料等一切質地致密管道，允許有薄層襯里 |
| 內 徑 | 25mm-6000mm |
| 直管段長度 | 上游≥10D，距泵出口處≥30D，下游≥5D |
| 流體 | 種 類 | 水、海水、酸堿液、食物油、汽油柴油、酒精、啤酒等能傳播超聲波的均勻液體。 |
| 濁 度 | ≤10000ppM，且氣泡含量小 |
| 溫 度 | －10～ +100℃（測高溫流體請與廠家） |
| 流 向 | 可對正反向流量分別計量，并可計量凈流量 |
| 工作環(huán)境 | 溫 度 | 主機：0－50℃；探頭：－30℃～+100℃ |
| 濕 度 | 主機：85％RH；探頭：98％RH（40℃），可浸水工作，水深≤2m |
| 電 源 | 固定式：外接交流電源適配器AC220V或直流15～19V 便攜式：機內自動充電電池可連續(xù)工作5～6小時以上. |
| 工作時間 | 連續(xù) |
| 體 積 | 固定式：180×180×65mm；盤裝式：80×160×250mm ，便攜式：226×240×99 mm |
| 重量 | 固定式：0.7 Kg；盤裝式：1.2Kg |
六．FV4018型超聲波流量計的應用
典型用途
1．給排水和污水處理
2．油田、石油化工系統(tǒng)
3．發(fā)電廠（熱電、火力、和水利）
4．鋼鐵等工礦企業(yè)
5．食品、醫(yī)藥、造紙行業(yè)
6．供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)平衡
在供水行業(yè)，超聲波流量計廣泛應用于凈水廠的源水、凈水的計量。近幾年城區(qū)管網(wǎng)的計量已提到日程，大家知道管網(wǎng)的流量問題不像凈水廠那樣簡單明了，管網(wǎng)的管路復雜、流速低、且有雙向流、回流等情況。絕大多數(shù)流量計（如電磁流量計等）在流速小于0.1m/s都無法保證正常測量。而超聲波流量計由其原理所決定，只要有穩(wěn)定的超聲波信號，測量出超聲波的傳播波時間，就能保證在整個測量范圍測量精度（0—30m/s），所以像許多中心城市（如杭州、常州等）已陸續(xù)上馬管網(wǎng)用超聲波流量計項目。超聲波流量計（無論外夾式，還是插入式）的安裝都可以在不斷管、不停水的條件下進行，大大降低了工程造價，另外，超聲波流量計無大小管徑之分，管徑從25mm—6000mm，造價都是一樣的，性能價格比高，已經(jīng)成為供排水行業(yè)的儀表。
七、FV4018型流量計安裝規(guī)程
概述
時差式超聲波流量計是當今世界上具競爭力的流量測量手段，其測量線精度高于1.0%。由于工業(yè)現(xiàn)場特別是管路周圍環(huán)境的多樣性，因此，怎樣根據(jù)特定的環(huán)境安裝調試超聲波流量計，就成了超聲波流量測量領域的一個重要課題，本規(guī)程詳解了超聲波流量計的安裝細節(jié)，從而進一步完整體現(xiàn)了超聲波流量計的精度、可靠性和穩(wěn)定性的優(yōu)勢，大大降低日后的維護工作甚至免維護。
安裝框圖
安裝規(guī)程細解
（一）詳細了解現(xiàn)場情況
超聲波流量計在安裝之前應了解現(xiàn)場情況，包括：
1．安裝傳感器處距主機距離為多少；
2．管道材質、管壁厚度及管徑；
3．管道年限；
4．流體類型、是否含有雜質、氣泡以及是否滿管；
5．流體溫度；
6．安裝現(xiàn)場是否有干擾源（如變頻、強磁場等）；
7．主機安放處四季溫度；
8．使用的電源電壓是否穩(wěn)定；
9．是否需要遠傳信號及種類；
根據(jù)以上提供的現(xiàn)場情況，廠家可針對現(xiàn)場情況進行配置，必要情況下也可特制機型。
（二）選擇安裝位置
選擇安裝管段對測試精度影響很大，所選管段應避開干擾和渦流這兩種對測量精度影響較大的情況，一般選擇管段應滿足下列條件：
1、避免在水泵、大功率電臺、變頻，即有強磁場和震動干擾處安裝機器；
2、選擇管材應均勻致密，易于超聲波傳輸?shù)墓芏危?/span>
3、要有足夠長的直管段，安裝點上游直管段必須要大于10D（注：D=直徑），下游要大于5D；
4、安裝點上游距水泵應有30D距離；
5、流體應充滿管道；
6、管道周圍要有足夠的空間便于現(xiàn)場人員操作，地下管道需做測試井，測試井如下：
（三）確定探頭安裝方式
超聲波流量計一般有兩種探頭安裝方式，即Z法和V法。通常情況下：
管徑D > 200mm時選用Z法
管徑D < 200mm時選用V法
但是,當D < 200mm而現(xiàn)場情況為下列條件之一者,也可采用Z法安裝：
1、當被測量流體濁度高，用V法測量收不到信號或信號很弱時；
2、當管道內壁有襯里時；
3、當管道使用年限太長且內壁結垢嚴重時；
對于管道條件較好者，即使D稍大于200mm，為了提高測量精度，也可采用V法安裝。
（四）求得安裝距離，確定探頭位置
1、將管道參數(shù)輸入儀表，選擇探頭安裝方式，得出安裝距離；
2、在水平管道上，一般應選擇管道的中部，避開頂部和底部（頂部可能含有氣泡、底部可能有沉淀）；
3、V法安裝：先確定一個點，按安裝距離在水平位置量出另一個點。
Z法安裝：先確定一個點，按安裝距離在水平位置量出另一個點，然后測出此點在管道另一側的對稱點。
（五）管道表面處理
確定探頭位置之后，在兩安裝點±100mm范圍內，使用角磨砂輪機、銼、砂紙等工具將管道打磨至光亮平滑無蝕坑。
要求：光澤均勻，無起伏不平，手感光滑圓潤。需要特別注意，打磨點要求與原管道有同樣的弧度，切忌將安裝點打磨成平面，用酒精或汽油等將此范圍擦凈，以利于探頭粘接。
（六）探頭與儀表接線
（七）微調探頭位置
接完線后把探頭內部用硅膠注滿，放置半小時，然后用硅膠和卡具把探頭固定到打磨好的管道上（注意探頭方向，引線端向外），然后觀察儀表的信號強度、良度與傳輸時間比，如發(fā)現(xiàn)不好，則細微調整探頭位置，直到儀表的信號達到規(guī)定的范圍之內：
（信號強度：一般應大于6.5，少數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場具體情況另定。）
（信號良度：低峰值一般為7～14，高峰值一般為25～80。）
（傳輸時間比：在100±4范圍之內，此值必須穩(wěn)定。）
（八）固定探頭
儀表信號調整好以后，用所配卡具將探頭固定好，注意不要使鋼絲繩傾斜，以免拉動探頭，使探頭移位，再用硅膠將探頭與管道接觸的四周封住。此膠凝固大約需一天時間，在未干之前必須注意探頭防水。（信號線的外屏蔽線必須可靠接地）
