声波是一种机械波。频率在10～20000Hz范围内的声波称为可闻波；频率低于10Hz的称为次声波；频率高于20000Hz的称为超声波。利用超声波测量流量的研究始于20世纪50年代。随着电子技术的发展，超声波流量计不断改进，目前它不但可以测量圆形管道中的液体流量（可测量5m或更大直径的管路的流量），而且可以测量河流和明渠中的流量（其宽度从几米到几百米）。仪表示值的重复性误差可以控制在±0.2%以内，测量精确度取决于仪表段流速分布和仪表的标定方法，其精度约为1%～5%（见图3-22）。
图3-22 超声波流量计原理图
（一）超声波流量计用于管道测流的基本原理
将一对换能器（或者两对换能器）置于管壁内或管壁外，由换能器发射的超声波，穿过管壁和被测流体，被另一侧的换能器接收。被测液体处于静止时，收到的超声波信号没有差别。液体流动时，顺流和逆流发射的超声波速度发生变化，接收到的信号包含了与被测液体流速有关的差别。采用不同的方法，检测出这种差别，从而测出沿超声波传播路径上的被测流体的线平均流速，可由二次仪表指示瞬时流量和累计量。
超声波测流的方法可以分为：①利用超声波在水中传播时间的变化，包括时差法，频差法，相位差法；②利用超声波波束偏移的方法（波束位移法）；③利用多普勒效应的频移法（多普勒法）；④利用相关技术的相关法；⑤其他方法：噪声法、漩涡法等。
下面仅就时差法、频差法和相位差法的基本原理作一简要介绍。
1.时差法
将一对或两对换能器置于管壁内或外，逆流传播的时间为t2，顺流传播的时间为t1，对于无折射轴向换能器（置于管壁内），有下列关系式：
式中：D为管道直径；c为超声波在被测液体中的传播速度；θ为液体中声线和管壁法线的夹角。
超声波传播的时间差 Δt=t2-t1
考虑到c2≫v2，将式子简化为：
所以，液体平均流速v为：
流量
当液体、管道、安装角度一定时，D、c、θ均为已知，流量与Δt成正比。由于Δt是非常微小的时间量，所以用一般的时间测量法是难以测出的。
2.相位差法
发射机发出连续超声振荡和时间较长的脉动振荡，振荡的相位可以写成φ=ωt，式中ω=2πf，f为振荡频率。在顺流和逆流发射时所接受到的信号之间产生相位差：
所以
二次仪表所输出的直流电压与相位差Δφ成正比，也就是与液体的流量成正比。
相位差法避免了测量微小的时间差，对提高精确度有利，但在流量方程中，仍包含了声波c这个随温度变化的量，因此温度变化（引起声速变化）仍会引起误差，这一点和时差法一样，是个主要缺点。
3.频差法
当超声换能器向被测液体发射超声波脉冲后，被对面的换能器接收，经过放大，再返回触发发射电路，使发射换能器再次向被测液体发射超声波，这样就形成了脉冲信号从发射换能器-被测液体-接收换能器-放大电路-发射换能器的循环。设顺流重复频率f1=1/t1，逆流重复频率为f2=1/t2，对于无折射轴向换能器，有下列关系：
对于无折射换能器（置于管壁外），则为：
式中：τ0为声脉冲在声楔和管壁中传播的时间与电路延迟时间之和。
由式（3-49）、式（3-50）可知，用频差法测量，当换能器置于管壁内（无折射），流量Q只与频率差Δf有关，而与声速c无关，可以排除温度的变化对流量的影响；当换能器置于管壁外时（有折射），由于声波在非流体中传播的时间τ0（包括延迟电路时间）的存在，使流量Q与声速c有关。但τ0很小，故声速随时间变化的影响远远小于时差法和相位差法。此外，它易于用数字电路测量，灵敏度和测量范围优于时差法和相位差法。因此，国内目前研制的超声波流量计大都采用此法。
在推导上述流量方程时，作了如下假定：
（1）管道内各点流速沿截面均匀分布，并认为等于平均流速v0。
（2）不考虑超声波射线在流动介质中传播时的曲线轨迹和传播方向的改变。
（3）忽略声楔折射面的曲率，并认为管道内壁是光滑的。
显然这些假定与实际情况是不完全相符的，因此超声波流量计需要校验后才能使用。
（二）在明渠中用超声波测量流量的基本原理
利用超声波测量明渠流量，是通过设于渠道两岸的超声波流速仪求得流速，用设于水面上部的超声波液位计求得水位，由过流断面面积和流速求得流量，如图3-23所示。它的测量装置包括水位传感器和流速传感器。它的优点是安装工作简单，不改变渠道断面，不扰动流场，适用范围较宽，工业用水，农业用水、城镇生活用水等都可应用。
1.水位的测定—超声波液位计
图3-23 明渠测流原理图
位于水面上方的传感器发射超声波脉冲，测出收到水面反射波的时间，从而得出传感器至水面的距离。设距离为L，空气中声波速度为c，超声波往返传播的时间为t，
由于空气中声速随温度变化，需要对声速进行如下修正：
式中：t为温度，℃。测出温度以后，即可求出相应的声速。温度变化10℃引起声速的误差约8%。温度的修正是电路本身完成的，通过置于传感器内部的温度传感器，得到与温度成正比例的电压信号，进行自动补偿。
2.流速的测定—超声波流速仪
流速仪的检测部件设计为接触型传感器，安装在渠道内侧，与流体接触。
用超声波测出的流速为声波射线方向的平均流速，而在明渠中，有水深方向的流速分布，所以为了求得整个过流断面的平均流速，需在水深方向装置几排传感器，组成多测线，进行扫描测定。
有了断面面积和平均流速，即可得到流量。
（三）传感器的位置和安装方式
1.传感器位置
将传感器置于通过轴心的对面管壁上，若将传感器镶在管壁内，其测量精度可达0.5%～0.2%。若将传感器装在管壁外，使用方便，但精度有所降低。此外，传感器上游应有相当于15倍管道直径的直段长度，下游直段长度不应小于5倍管道直径；传感器上游不允许空气进入管道；在安装位置的管道外壁要进行除锈、除垢和清除脱落的油漆等工作。两个传感器之间的管道不允许存在管道接头；非防水型传感器不允许安装在水下，也不应该安装在管道有可能聚气或堆积沉积物和泥沙的部位。
2.安装方式
根据管道和现场测试的条件，传感器的安装可采用反射式（即V形）和直射式（即Z形），如图3-24所示。反射式安装相当于增长了声波的传送路径，可获得较高精度的测量成果。因此，只在受到现场条件限制时才采用直射式安装。为了保证测试精度，仪表前直管段应大于15D，仪表后应大于5D。(www.xing528.com)
图3-24 安装示意图
3.两测线测量法（有侧向流时流量测量法）
超声波流量计是检测声波射线上的液体平均流速，在推导方程时，流速v是以平行管道轴线为前提的，因此要求上游段有15D以上的直管段，下游段有5D以上的直管段。而实际工程中不一定都能满足这一要求。管道中可能发生不平行于流道轴线的流动（侧向流），引起测流误差。本方法就是以侧向流存在的情况下，也能精确地测定流量为目标的。
如图3-25所示，在包含管道轴线平面内，对称地安装两组超声波换能器，形成A、B两条测线。流速向量偏离轴线时，向测线A的投影为va，流速测量值为vA。测线B的测量值为vB。对称设置的两测线A、B的平均值为（vA+vB）/2。从而得到侧向流v的轴向分量，使流速的正确测量成为可能。在实际工程中，侧向流不一定都是直线的，可能是比较复杂的流态。严密的理论推导是困难的，但是用两线法测量时由于侧向流引起的误差将远远小于一线法的误差。
图3-25 两线法原理图
（四）超声波流量计的主要特点
（1）可以进行非接触测量，不破坏流场，无压力损失；
（2）尺寸小，重量轻，安装维修比较方便；
（3）可适用于从十几mm到5000mm，甚至更大直径的管道流量测量；
（4）用超声波测量流量，尤其是现场测试中，测量精度受其他因素影响，例如，待测液体的温度、浓度、含杂质或气泡的多少等因素变化时，以及可能出现的侧向流和涡流的影响等，都会影响测量的精度。
（五）超声波流量计的标定
在推导流量计的基本方程时，是把流速看做沿管道横截面均匀分布的面平均流速，而实际上测得的是超声波射线上的平均流速（即线平均流速）。根据流体力学的半经验公式，对于光滑圆管，线平均流速v与面平均流速
之间的关系为：
式中：K为流体力学修正系数，它与圆管阻力系数有关。
K由下式确定：
式中：λ为液体雷诺数的函数，λ=0.0032+0.221Re-0.237。
因此，修正系数K可以写成雷诺数Re的函数：
所以，用超声波流量计在变雷诺数液体中测量流量时，测量精确度就难以保证。
在理论上，各种方法的超声波流量计的流量方程均需除以修正系数K。这是流体动力学的理论修正。但这种理论修正也带有半经验的性质，而且实际上，修正系数K并不单纯由雷诺数Re决定，它还与管道入射口的形状及上下游直管段的长度等因素有关，此修正系数K需通过试验才能确定。
同时，在推导流量方程时，曾作过一些假定，而这些假设条件与实际工程的差别就造成流量计的系统误差，而这种系统误差又是无法进行理论修正的。
因此，用超声波流量计测量流量时，应当对流量计进行标定。标定的方法可用质量法，体积法或对比法。
目前超声波流量计的应用比较普遍，已制造出适用于多种现场条件的机型。例如供流动安装使用的便携式超声波流量计，已有多种机型，如单通道小型多功能便携机、单通道防水型多功能便携机、双通道/声道小型多功能便携机、双通道/声道防水型多功能便携机等。这些机型体积小、重量轻，精度可达1%，可供泵站现场测试选用。
（六）超声波多普勒流量计
利用多普勒原理测量流体的流速或流量是20世纪70年代发展起来的，这种流量计我国正在研制，并开始研究在泵站流量测量中的应用。
1.声学多普勒效应简介
当声源和听者都静止不动时，声源发出声音的音调和听者听到的音调（由频率决定）是相同的。当声源和听者之间有相对运动时，情况就发生变化，如果听者和声源之间的距离以恒速减小时，则听者听到的稳定音调高于声源频率应显示的音调。反之，听到的音调低于声源频率应显示的音调。
这种由于声源和听者之间的相对运动而使听者接收到的声音频率发生变化的现象叫做多普勒效应。当然，由于声源发出的声音的频率以及声音在传播介质中的速度仍然是不变的。利用多普勒效应可以测定声源相对于介质的速度。
2.多普勒法测流的基本原理
当超声波入射到不均匀流体中时（其中含有悬浮粒子或气泡等），部分声能将被散射。根据声学多普勒原理，通过测定多普勒频移来确定流体中悬浮粒子的速度（流速），从而得到流量，其工作原理如图3-26所示。
图3-26 多普勒法原理图
当发射换能器向流体中发射频率为fF的连续超声波时，经悬浮在流体中的散射体散射的超声波将产生多普勒频移，并被接收换能器接收，设接收到的超声波频率为fJ，则fF和fJ服从多普勒关系。
设散射体运动的速度为
，超声波束与管壁法向夹角为θ，根据多普勒原理，得：
把分母展成级数，考虑到声速c≪0，略去高次项，得：
多普勒频移为
故
由此可知，多普勒频移Δf与流速
成正比。不过测量结果受流体中声速变化的影响。然而只要把超声波束通过声楔再入射到流体中去，根据同样的声学多普勒原理及折射定律可得：
式中：c1为声楔中的声速，它比液体中的声速随温度的变化小一个数量级；θ1为发射换能器的声束与管壁法线的夹角。
图3-27 多普勒流量计结构方框图
3.超声多普勒流量计
图3-27为超声多普勒流量计的结构方框图。发射电路激励发射晶片向逆流方向发射超声波。在流体中，超声波遇到悬浮粒子或气泡后被散射，产生多普勒频移。其中一部分超声波回到接收换能器，在接收换能器上与发射信号直达波（发射的超声波有一小部分通过声楔和界面反射等直达接收换能器）拍频，拍频信号经放大、检波和低通滤波后，得到多普勒信号，经过零检测电路和定宽电路，把多普勒信号变成幅度和宽度一定的脉冲，以便进行数模转换，输出直流信号，根据仪表系数可以计算出瞬时流量。同时，定宽电路的输出脉冲经仪表系数选择电路，把输入的脉冲变成以m3或L为单位的输出脉冲，变换后的脉冲用六位计数器计数，显示累积总量。
4.多普勒流量计的主要特点
（1）适用于测量含有悬浮粒子或气泡的管流的流量；
（2）换能器管外安装，使用维修方便，成本低，不扰动流场，无压力损失；
（3）一套仪器可用于不同的管径，有利于不同泵站不同管道的巡回检测；
（4）测量精确度受流速分布和粒子浓度等因素的影响，总的测量误差大于时差式和频差式超声波流量计。
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