1引言

利用超聲波脈沖測量流體流量的技術發展很快。基于不同原理，適用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現，其應用領域涉及到工農業、水利、水電等部門，正日趨成為測流工作的首選工具。

2超聲波流量計的測量原理

超聲波流量計常用的測量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測量超聲波脈沖順水流和逆水流時速度之差來反映流體的流速，從而測出流量；多普勒法的基本原理則是應用聲波中的多普勒效應測得順水流和逆水流的頻差來反映流體的流速從而得出流量。

2.1時差法測量原理

時差法測量流體流量的原理如圖1所示。它利用聲波在流體中傳播時因流體流動方向不同而傳播速度不同的特點,測量它的順流傳播時間t1和逆流傳播時間t2的差值,從而計算流體流動的速度和流量。
 
圖1超聲波流量計測流原理圖
設靜止流體中聲速為c，流體流動速度為v，把一組換能器P1、P2與管渠軸線安裝成θ角，換能器的距離為L。從P1到P2順流發射時，聲波傳播時間t1為：

從P2到P1逆流發射時，聲波的傳播時間t2為：

一般c>>v，則時差為：

單聲道測試系統只適用于小型渠道水位和流速變化不大的場合。大型渠道水面寬、水深大，其流速縱橫變化也較大，須采用多聲道超聲波測流才能獲得準確的流量值，見圖2。應用公式(5)、(6)可測得流量Q。

以上各式中：d為垂直于水流方向上兩換能器之間水平投影的距離，為聲道數，S為兩聲道之間的過水斷面面積。
 
圖2多聲道超聲波流量計測流原理圖
2.2多普勒法測量原理

多普勒法測量原理，是依據聲波中的多普勒效應，檢測其多普勒頻率差。超聲波發生器為一固定聲源，隨流體以同速度運動的固體顆粒與聲源有相對運動，該固體顆粒可把入射的超聲波反射回接收器。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運動而產生的聲波多普勒頻移。由于這個頻率差正比于流體流速，所以通過測量頻率差就可以求得流速，進而可以得到流體流量，如圖3。
 
圖3多普勒超聲波流量計測流原理圖

3.2根據超聲波流量計適用的流道不同可分為管道流量計、管渠流量計和河流流量計

管道流量計一般是指用于有壓管道的流量計，其中也包括有壓的各種形狀斷面的涵洞，這種流量計一般是通過一個或多個聲道測量流體中的流速，然后求得流量。用于管渠的超聲波流量計除了要具有測流速的換能器以外，還需要有測水位的換能器，根據測得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量計一般含有多個測速換能器(由聲道數決定)和一個測水位換能器。多數河流超聲波流量計僅測流速和水位，而河流的過水流量由用戶根據河床斷面進行計算。

4應用研究

結合國家大型灌區信息化建設的研究內容，作者在昌樂縣高崖水庫灌區的北干渠上布設了4處監測站：其中徐家廟監測站渠底寬7.0m，水深1.0～2.0m，采用5聲道明渠超聲波流量計監測，見圖5。山秦監測站將一段明渠改造為有壓管道輸水，管徑是1.4m，采用單聲道管道超聲波流量計監測，見圖6。在日照水庫灌區總干渠上布設了6個測站，其中石咀監測站渠寬4m，水深1.5～2m，采用了多普勒超聲波流量計進行監測，見圖7。
 
圖7石咀測站多普勒超聲波流量計示意圖
各測站采用高精度流速儀對所測的瞬時流量進行對比分析。通過比較和個別參數修訂，各測站測出的瞬時流量穩定可靠，與流速儀測出的數據有很高的一致性。

5結束語

超聲波測流技術以其測量精度高、實時性好的特點越來越得到重視。但因其價格高、專業性強、維護管理要求高使其應用推廣較慢。隨著國家對水利投入的加大和節水型社會的建設，該技術設備將很快成為主要測流手段而得到廣泛的應用。