超聲波流量計(jì)的基本原理
1．基本原理
超聲波在流動(dòng)的流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。相對(duì)于固定座標(biāo)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(shí)現(xiàn)流量（流速）測(cè)量，首先需要有一個(gè)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(shí)是利用負(fù)壓電效應(yīng)，即利用高頻電脈沖的作用，使壓電晶體高頻振動(dòng)，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(duì)面的接收換能器接受。接受換能器則利用正壓電效應(yīng)，將高頻壓力波又轉(zhuǎn)換高頻的電脈沖信號(hào)。
可以輪流交替地利用同一個(gè)換能器及發(fā)射高頻、短時(shí)的脈沖壓力波，又用來(lái)接收對(duì)面換能器發(fā)來(lái)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(jì)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(jì)因此得名。
2．管外夾式時(shí)差式液體超聲波流量計(jì)的工作原理
該類型流量計(jì)利用測(cè)量超聲波在管道中傳播時(shí)間原理而實(shí)現(xiàn)的。介質(zhì)（液體）在管道中流速，與超聲波沿介質(zhì)順流和逆流傳播的時(shí)間差存在著線性關(guān)系。只要分別測(cè)量出超聲波順流、逆流的傳播時(shí)間，就可以依據(jù)線性關(guān)系得到沿管道路徑上各點(diǎn)流速的瞬時(shí)平均流速。這樣，介質(zhì)流量則可以通過(guò)流速、管道截面積以及雷諾數(shù)等得到。
當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí)，流體的流動(dòng)將使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化，并且其傳播時(shí)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(cè)流量管道外表面上，按一定相對(duì)位置安裝一對(duì)超聲探頭。安裝方式分為“Z”法和“V”法。一個(gè)探頭受電脈沖激勵(lì)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(shí)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(shí)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）
………………………（10）瞬時(shí)流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間流過(guò)流體管道橫截面的流體流量，常用單位:m3/h。
累計(jì)流量：在一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)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(nèi)徑
θ—超聲波束入射角
C0——靜止時(shí)流體聲速
V——管內(nèi)流體沿管軸向的平均流速
TUP——聲束在正方向上的傳播時(shí)間
TDOWN——聲束在逆方向上的傳播時(shí)間
△T——聲束在正逆兩個(gè)方向上的傳播時(shí)間差
3．超聲波流量計(jì)的基本性能
（1） 實(shí)現(xiàn)了非接觸在線測(cè)量(外夾式傳感器)。
（2） 無(wú)阻力無(wú)壓力損失，無(wú)深度插入部件，無(wú)可動(dòng)部件，不影響介質(zhì)流動(dòng)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(cè)量范圍寬廣，既可測(cè)量小管徑（100mm以下），又可測(cè)量大管徑（最大到6000mm），性價(jià)比高。儀表對(duì)介質(zhì)流速的高靈敏度，使得測(cè)量極慢或快速流動(dòng)介質(zhì)時(shí)，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(dòng)等環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，一次安裝，長(zhǎng)期使用，維修量極少。
以上這些特性是由超聲波流量計(jì)的原理所決定的。