宽波束超声波流量计的研究

　　在工业生产过程中，经常需要精确地计量和控制流体的流速和流量，传统的接触式流量计，如电磁流量计、涡轮流量计、孔板、差压流量计等，均不同程度的受到压力、磨损、腐蚀的影响，同时安装时还要破坏管道。超声波流量计由于精度较高，可以方便的安装在管道外壁上进行非接触测量，对被测流体无任何扰动，可双向测量，特别适用于大口径管道腐蚀性、放射性和高压流量的测量。超声波流量计虽已广泛应用，但也存在着一些不足。本文讨论的宽波束流量计在一定程度上对传统的窄波束超声波流量计存在的一些不足进行了改进。

　　1 传统窄波束超声波流量计存在的问题

　　传统超声波流量计虽然有很多优点，但是它本身也存在着一些不足：

　　(1)超声换能器安装时，须正确计算接收换能器的安装位置，并进行反复对准。安装位置的偏差会严重影响流量计的测量性能。

　　(2)超声波脉冲信号在流体中的传播速度是声速和流速的矢量合成，合成后的速度与管道轴向的夹角会随着流速或物性的变化而变化，会产生波束偏移，造成安装于固定位置的接收换能器接收的信号明显减弱甚至丢失，影响测量性能。

　　(3)如果被测流体里含有悬浮颗粒和小气泡，可能会反射中途传播的超声波，给测量带来很大的误差。

　　(4)电子元件经过长时间工作，或受环境的影响，会引起电子元器件工作点发生变化，产生零点漂移，这势必会引起测量数值的不准确。

　　2 宽波束的应用

　　宽波束Lamb波在超声波流量计中的应用则很好的对以上不足进行了改进。

　　宽波束 Lamb 波是板波的一种，利用其质点振动特性，这种波形可应用于超声流量测量中。Lamb 波是纵波和横波的合成形式，管道内表面上的振动质点在轴向传播的同时，垂直于板面振动的横波成分会将部分能量以纵波的形式辐射到周围的被测流体中去，形成一组相互平行的波束，向对面管壁传播，经反射后到达同侧管壁，接收换能器接收信号，如图 1 所示。

　　Lamb 波测量流体流量，本质上仍然是采用时差法，但是由图 1 可以看出，由于波束是沿着管壁传播的，向管道对面辐射的声能范围相对较宽，能够完全覆盖接收换能器甚至其左右相当一段距离，接收范围很大，从而降低了现场对换能器的安装要求。它不像传统方法那样对波束进行反复对准，并且不会因被测液体的速度或物性变化造成的波束偏移使接收信号明显衰减或丢失。由于传播的是一组波，流体中有悬浮颗粒或小液滴不可能把整组波束都反射掉，从而保证了能可靠地接收信号。这使超声波流量计适用于更宽的流速范围和流体条件。