超声流量计

第六章 超声流量计

第一节 概 述

20世纪初，就有人提出了利用超声原理测量流速的方法。20世纪50年代末，苏联学者比尔蓋尔（H.I.Birger）发展了管道流速分布理论，提出了断面流速修正系数概念。1955年美国人利用“声循环法”（sing-around）原理，研制出MAXSONFLOWMETER超声流量计，用来计量航空煤油，使超声液体流量计逐步进入实用化。

我国从20世纪60年代起，先后展开研制工作。80年代以后，国内外产品的品种、数量不断增加。尤其最近十多年来，随着CPU技术、信号处理技术、通讯技术的发展，欧、美、日、韩各国在基础理论研究和产品发展以及应用上日新月异。特别是多声道（3-5声道）时差法超声测流技术的出现，使超声流量计的测量准确度和可靠性有了明显的提高。多声道时差法超声流量计已经实现了对天然气、成品油、原油的商业计量。

目前各种超声流量计已广泛用于工业生产、商业计量和水利检测等方面，如：在市政行业的原水、自来水、中水、污水的计量中，超声流量计具有大量程比、无压损的特点，在保证测量准确度的同时提高了管网的输水效率；在水利水电行业的输水管道、渠道、泵站、电站的流量计量中，超声流量计具有大口径、现场安装、在线标定的特点，使准确测量成为可能。同时通过对水泵、水轮机单泵、单机的计量来实现设备优化、经济运行的目的；在工业冷却循环水的计量中，超声流量计实现了在线不断流带压安装和在线标定；在商业计量方面多声道超声流量计已达到优于0.2% 的准确度（示值误差）。而且，利用多声道超声流量计的测量结果与被测介质的物理性能无关的特点，在一条管线多种油品输送的计量中，保证计量准确的同时，通过声速鉴别出不同油品的密度来实现油品混合界面的准确测量。还可利用超声流量计双向计量的特点，在装卸计量中一台仪表实现双向计量，体现出诸多方面的优势。多声道超声流量计是最具有开发潜力和发展前景的流量计。

一、声学基础

19世纪时德国科学家克拉尼通过实验验证20kHz是人耳能听到声波频率的上限。而后，人们把超过人听觉范围（20kHz以上）的声波称为超声波。在自然界，动物能识别超声波的最高频率是：狗25kHz；鲸鱼100kHz；蝙蝠175kHz。

（1）声速

超声波能在气体、液体和固体中传播。在不同的物质中超声波的传播速度各不相同。超声波在介质中传播的速度用C来表示。它在不同介质中的传播速度见表6.1。

表6.1 超声波在不同介质中的传播速度C 气体/（m/s） 空气330 氯气210 甲烷430 氢气1280 液体/（m/s） 水1480 甲醇1100 煤油1320 甘油1900 固体/（m/s） 钢材3200~5900 玻璃3200~5600 铍合金8900~12900

（2）声衰减

在空气中传播的超声波除了因扩散引起衰减外，由于空气中黏滞性、热传导以及分子的吸收也会引起声的衰减。

1

从表6.2中所得结果看出，空气与水相比，其声衰减随频率的增大而急剧增加，即气体均不利于高频声传播，衰减很快。频率低衰减固然小，但超声换能器的指向性会差，易受干扰。选择工作频率时，还应考虑超声换能器之间的距离（声程）以及测量准确度要求等。

表6.2 空气与水的超声波衰减比较 频率/kHz 20 100 1000 幅度衰减到1/e所达到的距离/km 空气（20℃） 1.89310-1 7.58310-3 7.58310-5 水（20℃） 3.133102 1.25310 1.25310-1

（3）特性阻抗与声反射、折射和声散射

特性阻抗Ζ表示媒质声特性的特征值，由媒质的密度ρ和声速с之积确定。气体、液体与固体的特性阻抗之比约为1:3000:80000，它们的差异比较大。超声波从一种媒质进入另一种媒质的能力取决于它们的特性阻抗。

表6.3列出了不同物质正入射时的声能反射量，即反射系数。声的反射和折射依据斯奈

尔（Snell）定律，即入射角等于反射角，折射率为常数。

c1c2cc===

sin?1sin?2sin?cos?

表6.3 各种媒质间的反射系数 物质 钢 黄铜 水银 铝 电木 聚苯乙烯 水 变压器油 空气 不同媒质分界面上超声波正入射时的反射系数/%（纵波） 钢 0 黄铜 1 0 水银 16 13 0 铝 21 14 1 0 电木 76 68 47 42 0 聚苯乙烯 77 73 54 50 1 0 水 88 86 75 72 18 12 0 变压器油 89 87 76 74 23 17 0 0 空气 100 100 100 100 100 100 100 100 0 （4）指向性

指向性是超声波的另一个重要的特性。因为超声波频率很高和波长很短，所以它可以 像光波那样沿直线传播，而不像频率较低的声波绕物体前进。超声波对气体介质测量采用频率是数百kHz，而对液体介质测量采用频率是数MHz。

二、超声测量流速和流量的基本原理 超声流量计按测量原理大体可分为 （1） 传播速度差法 ? 时间差法* ? 声循环法*

2

? 相位差法 （2） 多普勒法* （3） 声束偏移法 （4） 相关法

以上诸多测量原理中标有（*）为最广泛应用的测量原理，见表6.4。

表6.4 典型的超声测量基本原理及公式 简 称 时差法 公 式 检测量 时间差 测量原理 顺逆流传播速度的变化 ?t??f?2vLcos?c2 2vcos?L cft2vcos? 声循环法 频率差 顺逆流传播速度的变化 多普勒法 fd?多普勒频移量 多普勒效应 式中：△t为时间差；θ为声道角；С为声速；△?为频率差；?t初始频率；?d为多普勒频移；

v为流体流速；L为声程长度。

下面对以上几种测量方法简要说明一下。

? 时差法是，通过测量随超声波传播速度而变化的逆流与顺流的时间差 △t 来确定 被测流体的流速v，时间差 △t与流速v成正比关系，其比例系数称流量修正系数。则体积流量表达式为： 换能器Q?k??t?S

控制器θ式中 K — 流量修正系数； vD△t— 时间差； S — 截面积。 换能器

图6.1 时差法超声流量计原理

?t?2vLcos? （6.1） 2c

时差法原理是目前在超声流量计中应用最广泛的测量原理。CPU、信号处理技术的发展，使流量的测量准确度和可靠性有了明显的提高。特别是时间测量技术的发展，提高了时差分辨率，解决了小口径、低流速测量难的问题。应用领域从净水扩展到循环水、污水和原油、重油、成品油以及天然气、空气等多种介质的测量。

? 声循环法（sing-around）是通过测量逆流声脉冲频率与顺流声脉冲频率之差 △? 来

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确定被测流体的流速v。频率之差 △?与流速v成正比关系，其比例系数称流量修正系数。则体积流量表达式为：

换能器

Q?k??f?S控制器 θvD

式中 K — 流量修正系数；

△?—逆流与顺流频率之差； 换能器S — 截面积 。

图6.2 生循环法超声流量计原理

脉冲频率是传播时间的倒数。这种方法中，流速v对声速C的依赖性被消除了。流速v与频率的关系如下式所示

2vcos?(6.2)

?f? L

由于v与△? 成正比，并与声速C无关，加上频率比较易于测量，准确度高，这种方法是最早研发并产品化的超声流量计，目前仍在应用。

? 多普勒法是通过向流动着的液体发射声波，并测量从被测流体的散射体（与被测流 体同一速度运动着的固体粒子或气泡）上返回信号的多普勒频移?d来确定被测流体的流速v。流速与被测流体的截面积之积，并计入流量修正系数得到体积流量。

Q ?k?fd?S

换能器

控制器式中 K — 流量修正系数； θvDθ?d —多普勒频移；

S — 截面积 。

换能器

图6.3 多普勒法超声流量计原理

fd?cft （6.3）

2vcos? 式中 ? t —发射频率。

这种方法要求流体内有足够大的散射体连续存在。通常散射体的速度与流体的速度有明显的偏差（滑差），要求流体的流速必须远远大于粒子产生沉淀的临界速度。而且测到的速度为散射体相遇点的速度，所以速度测量值对流速分布和流态的依赖性很大，即要求直管段很长（20倍管径以上）。所以，这种方法的使用具有一定的局限性。多普勒流量计较多应用在工业废水、生活污水、煤浆、啤酒饮料等介质的测量。

三、超声流量计的特点 超声流量计有如下特点。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

能测量任何可以传播超声波的流体介质。

在不妨碍流体运动的情况下测量，管道截面无需缩小，无压力损失。 无活动部件，没有磨损零部件。 可实现大口径（DN10000以上）、大量程范围（1：100以上）。 时间分辨率高，低流速性能好（可测数㎝/S的流速）。

测量准确度高，所测流量与粘度、温度、压力和导电率等因素无关。 通过测量被测介质的声速能得到有关介质的物理性能或成分的附加信息。 可在管外侧（外夹式）测量管内流体流量。 在非满管的情况下，也易于测出流量。

可实现干式标定，大口径情况下无需进行实流标定。 可实现在线带压不断流安装和更换、维护换能器。 仪表的性能价格比合理。

四、超声流量计的分类

超声流量计可按下述原则来分类。 （1）根据测量原理

? 时差法超声流量计； ? 频差法超声流量计； ? 相差法超声流量计； ? 多普勒超声流量计；

? 液位测量和平均流速测量相结合的非满管和渠道超声流量计。 （2）根据使用方式

? 便携式超声流量计；

? 固定式（标准管段式）超声流量计。 （3）根据换能器的安装方法 ? 标准管段式超声流量计； ? 外夹式超声流量计；

? 现场开孔插入式超声流量计。 （4）根据换能器与流体是否接触 ? 接触式（插入式）超声流量计； ? 非接触式（外夹式）超声流量计。 （5）根据被测流体的性质 ? 液体超声流量计； ? 气体超声流量计。

（6）根据换能器声道的数目 ? 单声道超声流量计； ? 两声道超声流量计；

? 多声道超声流量计（3声道以上，含3声道）。

五、超声流量计的应用

超声流量计能测量哪些介质的流速和流量？原则上讲，介质的超声衰减不是很大、温度不太高（一般不要高于150℃，特殊结构可用于几百度高温）、温度变化小最为理想；流体是均质的、无沉淀、不会积垢最为理想。通常液体中含有的气泡和固体颗粒不足以使声信号经常中断，就不会影响测量。反之，使用多普勒方法测量比较好。

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根据至今为止的应用实例可以看出，大部分流体介质都可使用超声波流量计进行测量。应用范围从原来的纯净水、循环水和污水扩展到成品油、重油、原油以及天然气、空气等多种介质的测量。

但是，超声波不能在真空中传播。换能器之间超声波传播的前提条件是被测气体至少应具有所规定的最小密度。而且，在使用超声流量计测量液体流量时，液体内气体和固体的含量不能超过一定的限度。另外，还要考虑的是管道内的高频噪声环境，如同管风琴声管的音叉或口琴的音叉那样，管道中的阻挡部件（如阀门、阀心等）能产生超过100kHz频率以上的高频声信号对超声测量产生影响。为了减小此类影响，在此类阻挡部件之后必须考虑安装足够长的直管段来加以避免。表6.5列出了若干种适合用超声流量计测量的介质。

表6.5 超声流量计可以测量的介质

流 量 计 液体超声流量计可以测量的液体 传播速度差 多普勒效应 纯水、海水、饮料、酒精、自来生活污水、工业废水、电解液、水、供热循环水、化学溶剂、冷海水、煤浆、酸/碱液、啤酒/却循环水、冷凝水、原油、重油、汽水/化肥/农药、印染/电镀液 成品油、急冷油、渣油等 天然气、煤气、CO2、蒸汽、空气等

气体超声流量计可以测量的气体

第二节 时差法超声流量计

在20世纪80年代，时差法超声流量计已基本成熟，它具有准确度高和可靠性好的特点。近年，这项技术发展突飞猛进，无论是基本理论和技术或是应用，都有了长足的进步，品种很多，深受世人注目，广泛应用于工业、水利、市政、农业、海洋等领域。本节仅述及液体超声流量计。

一、工作原理

时差法实际上是将超声波传播速度和液体流速进行矢量叠加为基础的。可简单比喻为在河流上渡船摆渡的过程。虽然顺流和逆流时渡船自身的速度是一样的，但由于受水流速度的影响，顺流时渡船到达对岸所需的时间要比逆流的少，如图6.4所示。流速越大，顺流的速度越快，而逆流所需的时间越长。顺流和逆流的时间差与流速成正比。

图6.4时差法工作原理

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在静止流体中 v=0，声脉冲传播时间 t ? t 。在流体流动时，顺流与逆流的传

1?t2?0c播时间t1和t2分别为：

t1?

t2?

式中 ?——管轴线与声道之间的夹角，即声道角；

c——声波在静止流体中的声速； vcos?——流体在声道方向的速度分量；

L——声程；

v——流体沿管道轴向的流速。 将上面两式中的c，用t1和t2替换，那么

LL

c?vcos?L

c?vcos?

v?L?t （6.4）

2t1t2cos?222

另一种表达方式，当c??vcos?时

c2?t2?t1? （6.5） v?2Lcos?

只需测得t1和t2，即可得到声道上各点流速的平均值，即线平均流速v。这并不是管道断面上流体的面平均流速（管道轴向平均流速）v 。下面简述几种求取面平均流速v值得到体积流量Q值的算法。

（1）比尔蓋尔法

认为在流速低的层流范围内，圆管内流速呈抛物线分布，所测流速为真实流速的4/3倍。紊流范围的流速分布随雷诺数Re而变（Re?vD? ，D为管内径，γ 为流体运动黏度），

Re越大，流速分布越均匀。比尔蓋尔给出了Re与流速修正系数的关系数为

K?v?1?0.016.25?4.31Re?0.237 （6.6） v

经修正，可得经验公式为

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K?1.119?0.011lgRe （6.7）

则流量 Q?

上述方法从20世纪60年代至今，仍在一些流量仪表上延用。

（2）加权积分法

随着多声道测流技术的出现，在测量断面上平行布置多个声道（4、8声道），将各声道测得的线平均流速vi 乘以相应的加权系数Ki 进行加权积分，求得面平均流速v。加权积分的方法较好地解决了流场分布与平均流速之间的关系。办法为

v?1vS K

?Kv （6.8） ii

v—— 面平均流速； 式中

n —— 声道数；

Ki—— 第i声道加权系数，这个系数由流速分确定；

vi—— 第i声道线平均流速。

图6.5 加权指数及流速分布

由此求得流量

Q?Sv

但是，加权系数法是建立在对称分布流态基础上的，加权系数只适用于流态充分发展的 状态下，不适用于非对称分布流态的流量测量。

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（3）二重积分法

在流体测量断面上，平行布置3~5个声道，测出每个声道的线平均流速，再通过各声道的线平均流速建立流速分布函数来重现流速分布曲线。通过对流速分布函数和截面积分布的二重积分求得流量，如图6.6所示。

图6.6 通过积分求平均流速

则每个声道的线平均流速为

Livi?2di流量为

2?t2i?t1i??t?t?1i2i???, i=1….n （6.9） ?Q???v?r?S?r?drdS （6.10）

式中 r——半径。

上述表明，不使用任何系数，只要对速度分布和面积分布两次积分，就能算出体积流量。实验表明，采用二重积分求得流量的多声道超声流量计，流态对测量结果影响很小，所以准确度很高。

这种方法突出的优点是可不必对仪表进行实流标定，而是在生产车间或使用现场用间接方法完成。对于管段型多声道超声流量计间接标定准确度可达0.5%。所谓间接标定（干标），就是二重积分法不使用任何系数，所以对几何尺寸误差、面积误差、时间误差和积分误差的均方根法合成的总误差，来评定流量测量的准确度。

二、基本构成和主要技术性能

时差法超声流量计是由超声流量换能器和控制器（变送器）构成，种类和规格颇多。口径范围25~15000mm，甚至更大；准确度0.15% ~2 %（因厂家和型号而有所不同）。

（1）换能器

时差法所采用的换能器安装、固定形式颇多，习惯上可以分为便携式和固定式，见表6.6。表中所列为各种换能器使用的方式。用何种方式由现场条件和要求而定，追求准确度应选择多声道标准管段型。超声换能器使用的工作频率1~2MHz者居多。

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表6.6 换能器的几种型式

使用方式 便携式 声道数 1 超声换能器名称 声楔换能器（外夹式） 标准管段型（插入式换能器） 固定式 1、2、3、4、5 声楔换能器（外夹在现有管道上） 插入式换能器（开孔安装） 内置式换能器（固定在管同壁上）

（2）控制器（变送器）

时差法超声流量计控制器的硬件构成，如图6.7所示。它由CPU和控制单元、发射单元、接收单元、键盘和显示单元组成。

CPU系统是中央控制单元和数据处理单元在软件支持下控制工作程序，并进行数据处理，完成各种运算、补偿、定标等。其还能进行在线自诊断，用来检查故障的部位。发射电路的原理如图6.8所示。发射单元主要是有一个平衡电容放电电路，高速可控硅作为充电元件，控制发射功率和脉宽。所产生的高压发射讯问经切换电路的开关传给指定的换能器。发射的周期和脉宽视管径大小而异，周期为10ms左右，脉冲越窄越好，发射电压达数百伏。

CPU 振荡器 计数器 键盘和显示 T1 控制单元 发射单元 转换开关 T2 接收单元

图6.7 时差法流量计方框图

当对面的换能器收到声脉冲信号以后，经切换电路的开关，就进入了接收单元，如图6.9所示。信号首先被前置放大器放大后，通过一个中心频率为1MHz、带宽为数十千赫兹的带通滤波器，再次被可调增益放大器放大后，进入检波器。检波器实际上是一种比较器，将训于一定幅度的电压信号转化为数字脉冲信号，作为计时的停止指令，随后进行逆向声传播间测量。这一过程不断地交替进行。

发射控制信号 驱动器 匹配网络 SCR T1 关断控制 切换电路 T2 收发控制信号 驱动器 图6.8发射单元方框图

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回波信号 前置放大 滤波

至控制单元 放大器 比较器

图6.9 接收单元方框图

三、特点

? 对于小管径时差测量比较困难。目前可测的最小管径为Φ25mm、采用V型或W形声 道以扩大声程长度，增加顺逆向声传播时间。对于Z型声道一般用于Φ50mm以上管道。

? 用途比较广泛，适用于各种液体和不同管径。除管道外，还可用于渠道、河流等的 流速、流量的测量。

? 时差法较适于测量纯净液体。有较多气泡的液体或悬浮物会阻碍声脉冲正常传播， 导致不能正常测量。

? 超声换能器表面若附着污物，会影响正常测量，严重时无法进行测量。 ? 多声道流量计测量准确度较高，不低于0.5级。对直管段的要求不大于前5D 后2D。 ? 多声道流量计具有大量程范围1︰100以上，可测流速范围在0.02m/s－20m/s。 ? 多声道流量计测量低流速在0.05m/s准确度可达到0.3%（DN300以上 ）。

四、安装应注意的问题

? 安装位置上游有缩经、扩经、弯头、T字三通、阀门、泵时，根据流量计的具体性 能参数要保留足够的直管段，见表6.10 。

? 流量计尽可能水平或垂直安装为佳；管内必须充满液体。

? 对于外夹式的换能器，应特别注意安装尺寸要准确，声耦合要好；插入式换能器和 内置式换能器的每对换能器之间应相互对准；声程应精确测量。

? 管内径尺寸应精确测量。 后直管段长前直管段长

90°

弯管 以上 T型 三通以上 扩径以上以上

缩径

各种

阀门下游可调阀门上游可调阀门

截止阀逆止阀 泵

图 6.10 多声道超声流量计不同现场所需直管段长度

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前直管段长

后直管段长 90°弯管 T型三通扩径以上 以上以上以上 缩径各种阀门 泵上游可调阀门逆止阀 截止阀 下游可调阀门图 6.11 单声道超声流量计不同现场所需直管段长度

第三节 多普勒超声流量计

顾名思义，多普勒超声流量计是利用多普勒效应测量的一种测流装置。现今，它已是一种测量工业用水、污水流量的重要仪表，见表6.5。实际应用有便携式、固定式。超声换能器有接触式和非接触式。测量管径12~5000mm，准确度在±1%~±5%。虽然比不上时差法，但是其仪表价格相对要低。

一、工作原理

多普勒超声流量计的工作原理如图6.12所示。发射换能器T发射一定频率的超声波到流动液体内的气泡和固体颗粒上产生散射波，散射波被接收换能器R所接收，其频率变化与粒子（或气泡）的移动速度成正比（由于换能器具有一定的的指向性，所以接收的散射信号基本上是从管道中心附近发射来的）。多普勒频移?d和流速v的关系如下式所示：

换能器

fd?cft （6.10）

2vco?sDθθ控制器v

换能器

式中?t——发射频率。 图6.12 多普勒法原理

公式（6.10）可看出发射频率高，流速测量的分辨率?d就高，通常为3MHz左右。把换能

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器T、R分别设置在与液体流动方向垂直的У轴上，并且对原点O来说是对称的位置上。设置换能器T、R的指向方向与X轴的夹角分别为θ。那么，接收到的频率?r为

c?vcos? fr? （6.11）

c?vcos?由于液体的声速为1500m/s左右，被测流速仅每秒数米，即C2 》v cos2θ，于是上式

变成

fr?而多普勒频移

2

c?vcos?ft (6.12) c

2vcos? fd?fr?ft?ft (6.13)

c因此，可得

v?cfd (6.14)

2cos?ft

也就是说，通过测量?d ，就可以测量P点的速度v。 设管截面积为S，管道轴线平均流速为v，测流量Q

Q?Sv

引入流量补偿系数K，K?v v

Q?SvSc?fd （6.15） K2cos?Kft

（1）液体声速变化的自动补偿

从式（6.14）不难看出，v直接接受液体声速C的影响。下述方法可以消除由于液体温度变化带来的声速变化影响。如图4.13所示，根据折射定律

c1c2cc=== （6.16）

sin?1sin?2sin?cos?

式中 C1 ——声楔材料声速；

Φ1 ——声楔的超声入射角； C2 ——管材的声速； Φ2 ——管材的折射角； Φ ——流体的折射角； θ ——声道角。

上式代入式（6.14）后

图4.13 不同介质界面上的声折射

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v?

c1fd （6.17）

2sin?1ft这就是说，如果采用声楔材料，将超声波辐射到液体中，根据式（6.17），可以与声速C无关地得到v。由于超声从声楔的面入射，Φ1是一定的。C1是固体的声速，与流体的声速变化相比要小得多，实际应用中可以忽略。如有机玻璃的声速变化率约-0.06%/℃，铝约0.026%/℃，钢约0.016%/℃,与水在15℃附近约0.25%/℃的声速变化率相比约小一个数量级。

二、构成和基本技术性能

这里介绍一种单频率多普勒超声流量计，它由超声流量换能器和控制器组成。图6.14所示是整机方框图。

图6.14 单频多普勒超声流量计方框图

双频多普勒流量计是新出现的产品，其控制器使换能器间断地短时间产生两个不同频率的连续波声信号。所产生的多普勒信号与原频率会有固定的频差，噪声则没有。将两个多普勒信号重叠、提升，经信息处理后，获得多普勒频移?d，计算出来流速或流量。这种新型多普勒流量计能抗噪声，并使测量准确度明显提高。

三、特点

多普勒超声流量计不仅有本章第一节二中所述的特点外，还有其自身的优点。

? 没有零点漂移。由于?d正比于v，在流体静止时，不产生多普勒频移。因此，控制 器显示单元不出现零点漂移。

? 不受声信号幅度变化影响。声信号在流体中传播时会衰减，受扰动而起伏。尽管幅 度变化，但发射和接收频率却不受影响。双频率多普勒法更具有抗噪声干扰的能力。

? 分辨力好。由于发射频率?t选择较高，对于所测流速可以得到较高的?d，因此分辨 力较好。 测量与流体声速无关。

四、安装应注意的问题

? 液体中微粒子浓度。由于多普勒法是得用气泡和微粒子所反射的声信号工作的，因 此若流体中不含有气泡和微粒子，则不能工作。以含有最低限度悬浮粒子30% 以上的流体作为测量对象。

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? 保证直管段长度，安装部位要合理。为了保障管内液体流速分布较好（多数情况为 紊流状态），消除不均匀状态，直管段长度上游至少为15D，下游为5D以上，管内流场状态决定补偿系数，否则加大误差。

? 换能器不应安装在下列位置：管道未充满；液体向下流动；离弯头太近；管内有沉 淀物堆积。在水平布置管线上，换能器不要安装在管道的上侧或下侧。

? 声耦合要好。对于非侵入式换能器安装部位的管壁面应较好、平坦、光滑，定位要 相对准确。超声换能器与管壁之间的声耦合（声接触）是通过油脂完成。油脂可以是硅油、硅脂、丹士林、机油等。耦合层不能侵入空气、固体物。

? 管内径应精确测量。

第四节 超声明渠（非满管、暗渠）流量计

随着工业、农业和城市的快速发展，各方面的用水量都在持续增长。另外，由于水资源被污染，能够直接使用的水缺口越来越大。继南水北调工程，我国各大城市相继开始了以解决城市饮用水为主的引水工程。这些工程中的流量计量大多采用渠道式计量方式。除此之外，城市污水处理和河道治理等市政工程和水利工程中，渠道式流量计量方式广为采用和被重视。

测量渠道流量的流量计种类很多。按渠道形态可分为：明渠、暗渠、满渠、非满渠；按渠断面形状可分为：梯形断面、矩形断面、马蹄形断面、圆形断面；按测量原理可分为：只测量液位的堰、槽、渠式流量计和测量流速、液位（截面积）的渠道式超声流量计。

传统的渠道流量计是因为直接实测流速比较困难，所以在渠中设置适当的标准堰或槽来进行测量。这种测量方法只需在一定位置测出液位即可计算出流量。因为，液位与堰或槽所流出的液体体积流量成函数关系，通过相应计算公式，就能算出液体的瞬时和累积流量。

本节里述及的超声明渠（非满管、暗渠）流量计是，通过测量液体的平均流速和液位（截 面积）来计算流量值的超声流量仪表。超声明渠（非满管、暗渠）流量计可应用于如下场合：

? 引水/输水工程； ? 雨水排放监测； ? 排污监测； ? 水利工程等。

一、工作原理

渠道式流量计量原理与其他管道式流量计量方法比具有一定的复杂性。它具有不同尺寸不同材质的渠底、渠壁和自由液面，不但断面形状各异，而且水平和垂直流速分布不同，流态复杂。但是，也有共同点是都要通过测量平均流速和液位（截面积）来计算流量。

平均流速的测量可采用如前所述的多普勒法和时差法来测量。液位的测量方法可采用超声液位计（多用于非满管、暗渠）和声波液位计、压力式液位计、气泡式液位计（多用于明渠）。超声液位测量方法如图4.15所示。

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超声换能器图4.15 超声回波测量液位

目前国内外普遍采用超声脉冲回波法。由超声换能器向液面垂直发射声脉冲，声波遇液面返回，被同一换能顺路所接收，经放大器放大后，由一阈值电路检测出第一个回波周期到达的时间与发射脉冲间的时间间隔t，则

l?

式中，c为空气中的声速，C=331.4+0.6Tm/s ，T为摄氏温度，331.4m/s为0℃时的声速。于是，液位H = h –ι。

超声液位计所使用的超声换能器工作频率为50~200kHz；量程为0.2~(5~10)m；准确度为(0.25~0.5)%FS。

二、基本构成和基本技术性能

多声道超声明渠流量计由多对流速换能器、液位换能器、接线盒、控制器及电缆组成。

如图4.16所示。断面形状及声道布置方式如图6.17。

液位换能器 流速换能器

接 控线制 盒器

图6.16 多声道超声明渠流量计构成

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ct （6.18） 2l

流速换能器水位换能器图6.17 断面形状及声道布置方式

一般来说，各种明渠所测量的流量范围很广，但是测量准确度都不高，约为1%~5%，测量准确度主要取决于渠的尺寸、形状及截面误差，平均流速和液位误差值根据实际要求通过多声道布置可控制在较精确的范围内，见表6.7。

表6.7 超声明渠（非满管、暗渠）流量的测量方法

所求量名称 平均 流速 方法1 超声多普勒法 量程 0.1~6m/s 超声明渠（非满管、暗渠）流量计 准确度 ±2%~±5% ±0.25%~±0 ~10m 与非满管流量 程度和渠截面有关 ±3%~±5% 0.5%（分辨率1~3mm） 方法2 多声道时差法 量程 0.02~20m/s 准确度 ±0.25%~±0.5% ±0.25%~±0 ~10m 与非满管程度和渠截面有关 ±1%~±2% 0.5%(分辨率1~3mm) 液位 超声法或其他方法 超声法或其他方法 注：所列值随产品会有所差异。

三、特点

超声明渠（非满管、暗渠）流量计不仅有本章第二节三中所述的特点外，还有其自身的优点。

? 由于，通过实测流速、液位（截面积）来演算流量，所以要比只测量液位的堰、槽、 渠式流量计测量准确度高。

? 可实现多声道测量，测量准确度随实际参与测量的声道数的增加而提高。 ? 当液位低于最低声道时，作为堰、槽流量计(液位和流速的函数关系)测量。 ? 被测渠（管、涵洞）的断面不受限制，而且可测渠宽可达上百米。

四、安装应注意的问题

? 实测流速是建立在渠道流态充分发展的前提上的，即要求渠（管）道的直线段要 满足要求。

? 现场直线段不足时，要通过在测量段交叉设置声道来补偿斜线流对流速测量准确 度影响。

? 现场测量段前后若有堰、闸等设施使垂直流态紊乱时，应采用多声道测量方式来 达到准确测量面平均流速。声道数量和声道高度的确定，要依据测量准确度的要求，同时还要考虑最低水位、最高水位和工作水位。

? 对渠道式流量计来说，准确测量流速、水位固然很重要，但往往对流量测量影响

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最大的是渠道断面积的误差（如，渠底部泥沙淤积和渠壁不平整、渠宽不一致等误差）。所以，在此特别提出的是——渠道断面积误差的控制一定要在渠道土建设计开始。

第五节 超声气体流量计

20世纪70年代中期欧、美、已先后研制成功超声气体流量计，但并不成熟。至90年代中后期则出现较完善和成熟的产品。由于使用了高新技术，流量计已能测量微小时差，分辨率已达1mm/s，已能测量小流量，以及双向气体流量。在工程应用和国际天然气贸易中，大有取代传统仪表的趋势。在巨大商机驱使下，各国生产厂商纷纷投入巨资争先开发超声气体流量计。我国天然气“西气东输”工程，就采用了超声气体流量计进行计量。

一、工作原理

超声气体流速测量采用时差法。通常采用Z 法和V法，为了理解方便在此用Z 法来说明其原理。如图6.18所示

图6.18 超声气体流量计工作原理

时差法的气流速度应为

v?L2cos??11???t?t?? （6.19）

1??2式中 t1、t2—— 气体中顺流和逆流时的声传播时间；

v —— 沿声道气流线平均流速。

根据比蓋尔法确定管道断面流速修正系数为 K?流量可简单地表示为

Q?v?S??v （6.20） v?v??S （6.21） K???4通常，空气在20℃ 时的运动黏度为 ? =0.151 × 10

(m/s), 按时差法管径为

D=0.3 m, 平均流速 v= 0.05(m/s)时则雷诺数 Re = 993 为层流。而，气体超声流量计的

流速测量范围在 数 m/s ～ 几十m/s ，完全在紊流范围内。

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二、基本构成、

超声气体流量计由流量换能器和控制器组成，标准管段式超声气体流量计通常还有一副带球阀的套筒，供换能器安装和检修。高精确度的气体流量计所采用的声道布置通常采用平行对称布置和交叉反射布置。要考虑自动消除气涡流的影响问题，如图6.19所示。

换能器 声道

(a)平行对称布置 (b) 交叉布置

图6.19 插入时换能器安装与声道构成

换能器的安装均采用插入式，工作频率一般选择在60~120kHz之间。用于可燃气体应考虑防爆。

控制器工作原理方柜图，如图6.20所示。换能器交替发射和接收声脉冲，一般每秒20~60次，信号经放大、运算、补偿后，输出数字和模拟信号。

图6.20超声气体流量计的基本原理方柜图

三、主要技术性能和特点

超声气体流量计的基本技术性能。

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表6.7 超声气体流量计的基本技术参数 准确确度±/% 分辨率/mm2s-1 流速范围/ m2s-1 温度范围/℃ 压力/MPa 管径/mm

超声气体流量计有如下一些特点。

? 准确度高、重复性好、抗干扰能力较强。 ? 可精确测量脉动流。 ? 双向流量计量。 ? 量程比宽。

? 无可动部件，无压力损失，维护量小。 ? 换能器更换可在带压条件下进行。 ? 在使用现场可以干法校验。

四、应用

超声气体流量计按实际用途基本上分为两类：一类用于气体流量测量；另一类用做气体流量标定装置或贸易计量。前者通常在使用的现场，将输气管打孔进行安装；后者均为标准管段式。具体用途：气体贸易交接计量；校验一般气体流量计的标准表。

超声气体流量计所测气体基本上是天然气、空气两种。天然气是一种混合气体，主要成分是甲烷（占95%以上）、乙烷、丙烷、N2、CO2等气体。15℃时声速在420m/s左右。其声速与组分、压力、密度、温度有关，所以要考虑不同组分的压缩系数和温度压力修正。

超声气体流量计安装位置要有足够直管段才能保证测量的准确度。管道内的颗粒物和液滴若附着在换能器辐射面上，将会影响声脉冲的传播，甚至使流量计不能工作。

0.5 ≤1 -30~+30 -20~+60 1.6~10 100~1600 第六节 超声流量计选型与应用

一、外夹式超声流量计

外夹式流量计可对管径为DN25到DN5000管道进行流体流量的检测。外夹式流量计应用领域很广，根据其特点外夹式流量计适用于测量高压力管线的测流，以及不能安装插入式流量计的场合。

（1）外夹式流量计在选择安装位置时应注意：

? 直管段长度必须大于10倍的管道口径（详见厂商的说明书）； ? 雷诺系数大于10000。

（2）外夹式流量计安装时应选择的参数有： ? 被测流体的类型； ? 超声波传播的速度； ? 管壁的材料和厚度；

? 管道的直径，它对入射角、超声波传播距离、超声波运行时间以及换能器的安装间 隙都有直接影响。

在安装测量换能器之前，控制器首先需要通过人机对话界面设置参数，并经计算得到换

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能器的安装间距。其次，根据计算的结果对两个换能器探头的间距进行调整。最后，把此结果参与流量测量的实时运算和存储，以便以后无需重复计算。手提式控制器具有流量显示和内部数据记录的功能，并能通过接口与PC机进行数据交换。

通常外卡式流量计的测量准确度（示值相对误差）能达到1%~5%，在小口径管道和高粘度流体的场合，测量误差会增大。这种流量计能用在几乎所有由金属和非金属材料制作的管道上（带有内衬材料的管道除外）。使用的温度可达300℃（随产品会有所差异）。

二、标准管段式超声流量计

把换能器固定安装在按照设计加工好的管段上，并且换能器直接与被测介质接触的形式称作为标准管段式流量计。这种流量计能够准确控制加工精度，同时可以精确测量管段的几何尺寸，而且两个换能器之间只有单一的被测介质，所以具有很高准确度。

标准管段式流量计有单声道、双声道和多声道（3～5声道）。而且，通过换能器在两个测量断面的交叉安装，可实现（4～10）声道。声道的选择主要依据所要求的测量准确度等级和现场管道条件（直管段、流态、被测介质的含气量等）来确定。标准管段式流量计通常用于商业计量和工业控制用小于DN1000的管道上（受实流标定装置的限制）。

标准管段式流量计便于进行实流标定，作为仪表的首次检定或发生计量纠纷时的仲裁依据。

标准管段式流量计通常采用法兰连接方式。但亦可根据用户要求、行业特点，把标准管段（切掉法兰）直接焊接在管线上。

标准管段式流量计具有可在运行工况条件下更换换能器的结构。所以，可进行在线不断流带压维护。

标准管段式流量计可制作成更大口径，主要受加工能力和运输条件的限制。通常限定在DN3000以下。

标准管段式流量计应用范围最广，从饮料、供暖管道、市政管道、工业用水管道、原油管道等领域。

三、现场开孔安装式超声流量计

在安装、维护或检定流量计时要进行断流施工。为了避免断流带来得麻烦，通常采用 安装旁路的办法。但是，安装旁路需要增加设备和土建的投资，而且现场要有足够的空间。所以，特别需要在无旁路、不断流的情况下能够安装维护流量计，并且还能够在线不断流标定的流量计。在现阶段，从技术的可行性和经济性的角度来看，超声流量计最能满足上述的特殊要求。

采用现场开孔安装式的超声流量计原理上与标准管段式流量计相同，不同的是把换能器定位、安装、调试的工作到现场进行。这对现场测量管道内径、壁厚、角度等几何参数带来一定的困难。但是，随着测量仪器和测量技术的发展，已较好地解决了现场测量问题。目前，现场开孔安装式的超声流量计的测量准确度能保证优于0.5%级（随产品和声道数不同会有所差异）。

通常现场开孔安装式的超声流量计使用口径为大于DN300的管道上，原则上口径越大安装的几何尺寸和流量测量准确度越容易保证。

现场开孔安装式的超声流量计主要用于热力管道（温度高、温差大法兰连接容易泄露）、供水管网干线及次干线（不能停水或停水带来的影响和损失过大）、石油化工以及冶金行业冷却循环水管道（装置长时间运行不能随意停产）以及流量计不便断流离线维护的现场。

现场开孔安装式的超声流量计采用干标方法进行现场标定。

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四、内置式安装超声流量计

顾名思义把超声换能器安装在管道（渠道）内壁上的流量计称为内置式超声流量计。 通常内置式流量计采用多声道布置方式，应用于DN2000以上的管道或相应尺寸的渠道里。采用内置式的主要原因为不能采用外插式安装换能器的现场：

? 水电站压力钢管；

? 水电站、泵站、输水管道等混凝土预制管；

? 水电站、泵站、水库等混凝土预制各种断面的输水渠道。 内置式流量计换能器要考虑高位水头冲击和泥沙磨损的问题，材质通常采用优于不锈钢304的材料。同时防水密封性能要满足现场要求。

换能器信号电缆的安装有埋装式（在混凝土壁内预埋电缆护管）和表装式（在钢管、混凝土壁上固定）两种。另外，将电缆引出管（渠）壁外装置（俗称穿缆器）的结构强度及密封性能要满足现场要求。

内置式超声流量计的声道布置通常采用平行对称（单断面）布置和交叉对称（双断面）布置。前者常用于前直管段很长的现场条件，后者用于直管段较短的现场条件。

内置式超声流量计采用干标方法进行现场标定。测量准确度能保证优于0.5% 级（随产品和声道数不同会有所差异）。

五、可用于油品商业计量的5声道超声流量计

对大流量管道的计量，如大型油轮的装卸计量、石油化工产品大口径管道计量，至今主要还保留着机械容积式、涡轮式或压差式的流量计量方式。在使用这些方法时，必须已知被测流体介质的粘度范围，而且在更换不同的流体介质时，流量计必须进行重新标定。此外，这些方法都存在着机械摩擦损耗，严重时要定期更换流量计。在测量受污染严重的流体时，还必须在管道中安装需经常维护的过滤器。同时，这些流量计对管道的几何尺寸也有一定的限制。早期系统采用把大型管道分流成多路并行的小型测量管道的方法，但这需要安装多个流量计和将多个流量值累加得出总流量。5声道超声流量计，管径可达DN1000以上，测量范围超过10000m3/h流量。它的计量准确度很高，测量准确度可达0.15%优于0.2%（示值误差）。特点如下：

（1）测量准确度与被测介质粘度无关

通过5个不同层面的线平均流速，重现出流速的分布函数曲线，并对流速分布曲线用积分的办法来求出面平均流速，所以测量准确度与被测介质粘度无关（在0.1mm2/s~150 mm2/s的粘度范围内的测量准确度都能得到保证）。这对解决目前原油长输管线的计量中，在用的容积式流量计（刮板流量计）由于原油的黏度变化范围过大引起的泄露量的变化，给计量准确度带来偏差的问题是行之有效的办法。

另外，这种流量计特别适用于一条管线多种油品的输送管道。当更换要输送的介质时，传统的流量计需要根据介质粘度进行重新标定，而5超声流量计可不考虑标定问题。

（2）通过声速测量出介质密度实现质量流量测量

由于时间测量精度高（Ps级）可测出高分辨率的声速，通过被测介质的声速与密度关系可计算出介质的密度，从而测出介质的质量流量。此方法适用的前提是需要大量的相关数据。目前成熟的方法是同时采用在线密度计测量介质的动态密度，再按照API/ASTM公式，修正压缩系数和温度膨胀系数对测量结果的影响。

六、超声流量计的干式标定（间接标定）

通常流量计的检定方法有质量法，体积法。上述方法均为实流检定方法，但实流检定方法由于检定装置的规模而具有一定的局限性。实流检定方法对于中小口径的问题较易解

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决，而大口径流量计不但缺少实流检定装置可用，即使可以检定，流量计的拆装、运输以及检定需大量的人力物力和时间，经济性差。再考虑断流可能造成的社会影响就更难以承受了。解决此问题，唯有走干标这条路。因此，需要研究与标准截流装置一样，只检测几何尺寸和流体特性等参数而无需实流检定的方法，即通过检定并量化分析参与流量测量的各个有关参量对流量测量的影响量，用各个参量的综合偏差来评价流量计准确度，从而实现干标的目的。目前符合上述干式标定理论的流量计首推多声道超声流量计。

（1）基本原理

本章第二节中的流速表达式为：

L2?tv??22dta

对流速表达式进行偏微分，分析各测量因子对流速测量误差的影响量为；

?L2?t??L2?t??L2?t??L2?t??????????????2d?t2??2d?t2??2d?t2??2d?t2?a?a?a?a?????dv?dL?dd?d?t?dta?L?d??t?ta

?2L?t??L2?t??L21??L2?t????????dv???2d?t2?dL??2d2?t2?dd??2d?t2?d?t??2d?t3?dtaa?a?a?a?????

?L2?t??2dLddd?t2dta??dv???2d?t2???L?d??t?t?a?a???

dv?2dLddd?t2dta???????v?Ld?tta?

?v?2?L??d?2?t???ta

分析流量测量误差为：

Q?A?v?dQ??D24?v2??2DvdD?Ddv?4dv????4?Dv?dQ??D2v?2dDdQ?2dDdv?????Q?Dv?

?Q?2?D??v?2?D?2?L??d?2?t???t23

a

用均方根误差表示为：

?Q?2222(?D)2?2(?L)2??d?2(?ta)2???t??v(r)?

可以看出，流量测量误差源可分为几何尺寸测量误差、时间测量误差、积分演算误差。 （2）误差量化分析

? 几何尺寸测量误差：主要为声程L、声道角θ和管道截面S的误差。例如，一 个口径375mm，声道角60°，声程886.025mm。各参量的不确定范围值为：声道角约±0.05°，声程长度约±0.525mm，管径约±0.125mm。声程长度误差为±0.06%，COSθ为±0.15%，截面积S为0.06% 。按均方根误差计算不确定范围为±0.18% 。

? 时间测量误差：评价时间测量误差方法是，超声流量计测量时间值和标准时间 源进行比对的方法。这种方法不同厂家根据产品准确度要求选择合适的标准时间测量装置使用即可。传播时间测量误差在口径100mm 以上时最大不超过 ±0.05%。

? 积分演算误差：对于单声道不确定范围估计在1%；对于三声道约为0.4%；对于 五声道约为0.3%。

? 仪表总的不确定范围：用均方根误差表示表体总的不确定范围为±0.31%（五声 道）。这个数值与实流校验设备所具有的不确定范围量值相当。

第六节 超声流量计故障诊断及处理流程图

一、故障现象：介质在静止状态下流量指示不为零

检查泵是否停止工作,阀门是否完全关闭No检查管道内是否有对流现象NoNo当管道出现非满现象使声道不在被测介质中换能器能器接收信号断，而此时流量计显示的流量为信号终断之前的流量值Yes由于管道各部位的温度不同，管道内会产生对流现象，可提高零流量门槛电压来调整Yes特别是阀门虽然关闭了，但经常有未完全关闭到位的情况 管道是否满管Yes流量计零点调整可能存在问题，建议在流体完全静止状态下重新进行零点调整结束

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二、故障现象：没有流量显示

检查控制器（变送器）的显示（LED、LCD）查看是否有故障代码显示是否有故障代码显示NoYes是否有其它显示No保险是否断No更换显示单元根据故障代码的提示进行调整YesYes更换保险之后是否有显示信号电缆是否开路YesYes结束连接信号电缆 换能器是否异常Yes结束更换换能器No结束NoNoNo检查管道是否满管Yes改变管道工艺条件使管道满管或更换测量位置 可能是控制器电子回路问题或调整设置问题，请厂家来维修结束

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三、故障现象：流量指示跳动不稳定

检查管道是否满管,有无大量的气泡或漂浮物（固体颗粒）通常流量计上游处装有排气阀来观测，或用超声探伤仪来探测，亦可以通过流水声音来判断是否满管 No使管道满管或更换测量位置Yes是否有大量的气泡或漂浮物 No是否有真空现象产生Yes调整工艺过程尽量避免真空现象的发生或更换安装位置Yes有大量气泡时可在流量计上游安装排气阀或更换测量位置，漂浮物可通过安装粗、细隔扇来解决，或更换测量位置 No直管段是否满足要求 NoYes采用多声道测量方式，或加长直管段是否有其他信号干扰Yes做好控制器及信号电缆的屏蔽并做好接地 No实际流量波动是否很大 No考虑是电子回路问题，请厂家 来维修Yes提高信号采集平均次数来缓解

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四、故障现象：测量误差超差

确认作为基准的流量值是否正确查看作为基准流量的流量计或装置的工作情况，确认其误差范围确认管道状态和安装数据是否满足 设计要求 No要重新确认管道材质、内经、壁厚、管道内衬材质及厚度Yes管道内壁是否有附着物或锈蚀层Yes老旧管道内壁会产生附着物锈蚀层，使管道内经变化截面积变小产生流量误差。所以，要视情况去除附着物、改变设置的内经尺寸或更换管道 No管道是否满管 No管道出现非满管时被测流体的截面积变小，但流量计仍是按着满管的截面积进行计算，所以测量的流量偏大。要使管道满管运行或更换到满管的地点安装Yes管道内出现堆积物时被测流体的截面积变小，但流量计仍是按着没有堆积的截面积进行计算，所以测量的流量偏大。要去除堆积物或更换到其他地点安装检查管道内是否有堆积物Yes No确认直管段是否满足要求 No直管段短时被测流体的流态不能得到充分发展，受流态的影响误差会增大。更换到直管段满足要求的地方或改装多声道流量计Yes认为是流量计调整、设定存在问题，建议请厂家来维护

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参 考 文 献

1、蔡武昌，应启嘎 ，新型流量监测仪表。北京：化工出版社，2006.1 2、流量计测ATOZ ，社团法人 日本计量机器工业联合会。1995.9

3、周庆，王磊，R.Haag ,使用流量仪表的原理及应用。国防工业出版社，2002.11 4、袁易全，陈思忠,近代超声原理与应用。南京：南京大学出版社，1996.4 5、姜天仕，吴淑珍，频差法超声流量计，应用声学，1982，（1）：27~32

6、Benefits of Dry Calibrating Ultrasonic Gas Flow Meters. AGA Operation Conference Westin

Hotel Seattle, Washington May 17~19,1998

7、Jan G Drenthen and Floris J.J.Hwijsmans. Ultrasonic Gas Flow Measurement. INSTROMET,2001.3

8、Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters. Transmission Measurement Committee.

Report No9. 1998

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zbcp.html