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，人們為掌握其數量都需要流量測量。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。數學公式：
流量計（Flowmeter）：用以測量瞬時流量或累計流量的器具統稱為流量計
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、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，數字式儀表，便于遠傳抗干擾及與計算機聯網；
5．儀表輸出信號不受流體流動特性的影響；
6．儀表復現性高；
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
的交混回響所產生的相位失真，也為管外夾裝提供了理論依據。
進入20世紀七十年代以后，由于集成電路和鎖相環路技術的發展，使超聲波流量計得以克服以前的度不高，響應慢，穩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展。
近20年來特別是近10年來，基于高速數字信號的處理技術與微處理技術的快速發展，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勢，發展勢頭迅猛。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安裝的。
（3）按聲道數目劃分：
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。為實現流量（流速）測量，首先需要有一個發射超聲波的換能器（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射高頻、短時的脈沖壓力波，又用來接收對面換能器發來的脈沖壓力波。可以用一組換能器兼做超聲波的收、發用。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生的超聲脈沖，經管壁—流體—管壁為第二探頭所接收。從發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（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
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和狀態。
（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） 適用于各種工作環境，可在高低溫、潮濕、粉塵、振動等環境下長期穩定地工作，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，適用于工業環境下連續測量不含大濃度懸浮粒子或氣體的絕大多數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有同類機型
的優點，并采用了超大規模集成電路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：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，與其它常規型流量計
或其它超聲波流量計相比具有下列更多的優點。
² 采用超大規模集成電路CPLD技術，小型化設計，硬件數目少，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環境中。
² 優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，保護所有數據，用戶可以選擇自動或手動補量，便于累計數據的修正和管理。
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
² 模擬輸出等，帶倍乘因子（量程）的機內七位數長的正向、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，FV4018型流量計使用了可達0.1nS超高分辯率、超高線性、超高穩定的時間測量電路，加上機內使用的32位長數字處理程序，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，實現了生產過程中元器件參數無調整化，提高了產品可靠性，產品一致性好，保證每一臺出廠的機器都達到*性能、工作狀態。
2.性能、參數見下表：
| 項目 | 性 能、參 數 |
| 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；數據接口：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；故障自診斷功能；遙控網絡工作方式 |
| 測量精度 | 優于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工作5～6小時以上. |
| 工作時間 | 連續 |
| 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
3．發電廠（熱電、火力、和水利）
4．鋼鐵等工礦企業
5．食品、醫藥、造紙行業
6．供熱系統的熱網平衡
在供水行業，超聲波流量計廣泛應用于凈水廠的源水、凈水的計量。近幾年城區管網的計量已提到日程，大家知道管網的流量問題不像凈水廠那樣簡單明了，管網的管路復雜、流速低、且有雙向流、回流等情況。絕大多數流量計（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）已陸續上馬管網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，已經成為供排水行業的儀表。
七、FV4018型流量計安裝規程
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%。由于工業現場特別是管路周圍環境的多樣性，因此，怎樣根據特定的環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，本規程詳解了超聲波流量計的安裝細節，從而進一步完整體現了超聲波流量計的精度、可靠性和穩定性的優勢，大大降低日后的維護工作甚至免維護。
安裝框圖
安裝規程細解
（一）詳細了解現場情況
超聲波流量計在安裝之前應了解現場情況，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定；
9．是否需要遠傳信號及種類；
根據以上提供的現場情況，廠家可針對現場情況進行配置，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，易于超聲波傳輸的管段；
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，如發現不好，則細微調整探頭位置，直到儀表的信號達到規定的范圍之內：
（信號強度：一般應大于6.5，少數可根據現場具體情況另定。）
（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）
