浅析外夹式超声波流量计测量方案及原理
一、外夹式超声波流量计的测量原理
超声波流量计是一种非接触式流量计。工作原理是：超声波在流体中传播时其传播速度要受到流体流速的影响，通过测量超声波在流体中传播速度可以检测出流体的流速而换算出流量来。
以使用Z广泛的时差法超声波流量计为例，当超声波在流体中传播时顺流方向超声波的传播速度会增大、逆流方向则减小，即同一传播距离就有不同的传播时间，再利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速而换算出流量。即当超声波束在管道内水介质流动方向上的“上游传感器”与“下流传感器”之间传播时，水的流动会使超声波束的传播时间相对于静态传播产生一个微小变化，并且这个传播时间的变化与水的流速成正比，这就是时差式超声波流量计的测量原理。
其关系的理论表达式如下式：V＝MD/sin2θ×△T/TupTdown
其中，M—为超声波束在水中的直线传播次数
θ—为超声波束与水流动方向的夹角
Tup—为超声波束在正方向上的传播时间（由上游传感器到下游传感器间的传播时间）
Tdown—为超声波束在逆方向上的传播时间（由下游传感器到上游传感器间的传播时间）
△T＝Tup－Tdown
二、外夹式超声波流量计的特点
超声波流量计基于微处理技术，大多采用集成电路及低电压宽脉冲发射技术而设计的。在测量技术上，为取得更高的分辨率和更大的测量范围，多使用0.1ns超高分辨率时间测量线路。它专门用于液体介质测量特别是水的测量。其显著特点是：精度等级为±1.0%，可在不停产状态下带压安装，主机既可安装于值控室还可输出电流、脉冲等标准信号并可利用RS232或RS485接口通讯进行计量数据远程传送。另外该流量计具有高可靠性、低功耗、抗干扰、安装维护方便之优点。
三、外夹式超声波流量计的构造与安装
1、超声波流量计的构造
超声波流量计一般可分现场传感器（即探头），传输电缆，显示主机三大部分。其传感器有外夹式、插入式、法蓝式（即管段式），显示主机分固定式、便携式，而便携式主机可配备外夹式传感器对固定在线运行的超声波流量计进行比对（现场校准）且安装十分简便（约10多分钟）。
2、超声波流量计测量点的确定
超声波流量计需先选取一个适宜的测量点，然后把测量点的水管参数输入流量计中，Z后将传感器（即探头）安装在水管上。
⑴测量点的一般要求
超声波流量计的测量点要求需在一定长度的直管段上，即选择水流分布均匀的管段，以减少测量误差。
⑵测量点的选取原则
a、测量点宜选择距上游（水流来方向）10倍管径长度、距下游（水流去方向）5倍管径长度的均匀直管段（即上、下游阀门在该长度以外，或水管的拐点在该长度之外）。
b、该直管段的材质要均匀无疤、裂痕以利于超声波传输。
c、该直管段的内壁应无水垢（若略有水垢有条件时可用蒸汽或高压水吹扫）。
d、该直管段要充满水（无论垂直或水平管段）。
3、超声波流量计传感器的安装
外夹式超声波流量计传感器的安装质量直接关乎水流量测量的准确性、可信度和运行可靠性。
⑴超声波流量计传感器（探头）的分类
常用的超声波流量计传感器按安装方式有如下三种：
外夹式传感器—安装时需将管外壁的拟安装位置打磨光滑后用耦合剂将传感器（探头）贴于管外壁再用夹紧装置固定。该方式能方便地在管外进行水流量测量，也适合便携式。缺点是易因耦合剂的处置不当引起信号接收状态恶变而影响测量的稳定性。
插入式传感器—安装时用钻孔工具在不停产状态下将传感器（探头）插入管路中。优点是能在水管内壁结垢或水中带气情况下实现稳定可靠的测量。
管段式传感器—安装时需要切开选定的直管段，采用法蓝联接。产品已经过专门出厂标定，好处是传感器可以不停产进行维修，特点是测量准确度高。
⑵超声波流量计传感器（探头）的安装
超声波流量计传感器（探头）的安装位置一般选择两个传感器（探头）管轴在输水管道的管轴水平方向上或与管轴水平面成45度夹角。
超声波流量计传感器（探头）的安装方式有Z、V、N、W方式。其中N、W方式适用于管径为50mm以下的输水管道，因使用难度和性价比较高而很少应用。常用方式有两种：
a、“V”方式安装
“V”式安装是标准的安装方法，可测管径范围为25mm—400mm。安装传感器（探头）时须注意上下游两传感器（探头）水平对齐，使其中心连线与输水管道轴线水平一致。（示意图见说明书）
b、“Z”方式安装
“Z”式安装一般适用于输水管道粗或水介质不很洁净或管道内壁有水垢而使“V”式安装信号失真状况。一般说来，300mm以上管径的输水管道选用“Z”式安装较适宜，“Z”式安装的可测管径范围通常在100mm—600mm。安装传感器（探头）时须注意上下游两传感器（探头）与输水管道轴线在同一平面内，且上游传感器（探头）在低位、上游传感器（探头）在高位。（示意图见说明书）
⑶超声波流量计传感器探头的安装检查
a、主要检查传感器（即探头）的安装位置是否适宜。
b、与水管外壁的结合是否光滑紧密。
c、通过主机检查信号强度和信号质量，观察传感器是否能够接收到使主机正常工作的超声波信号。
4、超声波流量计的调试
⑴按流量计要求输入管道参数，并记录。
⑵对上下游传感器（即探头）的安装位置、间距、管道接合度进行调整，将上下游两个方向上接收的信号强度调整至Z强（信号强度越大则测量值越稳定、可信度越大，越能长时可靠运行）。
5、超声波流量计计量数据的远传与共享
技术人员通常通过PC机或其他通信设备实现超声波流量计的通信，用适当的串行口电缆将超声波流量计的标准串行口与上位机串口联接起来，用软件在上位机上发出预先设置的命令，就可使流量计发出相关的应答信号。
技术人员使用超声波流量计的标识码作为网络地址码，使用相应命令集作为通信协议，使用流量计的电流环及其OCT输出来控制步进式（或模拟式）电磁阀的开度，继电器输出可控制其他设备的上下电，既可实现数据采集又可实现远程控制（数据的传送硬件在较近距离时使用RS232或RS485接口通讯，在较长距离时采用电流环或无线传输），通过以太网将流量计数据传入企业网实现公司内相关二级单位的数据共享。并实现了水计量的实时监控状态。
扩展阅读：铭宇自控流量计
