SH/T 3005—2016 · 选型通俗读本
超声波流量计
选 型 科 普
读懂《石油化工自动化仪表选型设计规范》
里的超声波流量计
超声波流量计是这些年用得越来越多的一类流量计。它靠声波在流体里跑一趟来测流量,最大的特点是可以不接触介质、几乎不挡流路,碰上大口径、不导电、强腐蚀这些别的流量计头疼的工况,它反而得心应手。这篇照着规范把超声波流量计这一节讲清楚——原理、两种测法、擅长的工况,以及精度怎么配。
一它靠声音测流量
在管道两侧斜对着装一对换能器,让超声波斜穿过流体来回传。声波顺着水流方向走得快、逆着走得慢,这一来一回的时间差,就藏着流体的流速——这就是最常用的时差法。把流速乘上管道截面积,流量就出来了。整个过程声波只是穿过流体,不需要在管道里放任何挡流的部件。

图1 超声波流量计工作原理(时差法)
原理为什么测的是流速,却能不挡流路? 差压式、涡街这些流量计,都得在管道里放个实体的节流件或发生体去“扰动”流体,多少会挡路、产生压损。超声波不一样——它派去测量的是声波,声波穿过流体本身不带走能量、不挡流路,所以几乎没有附加压力损失。 声波顺流和逆流的传播时间差,严格正比于流体的平均流速。换能器贴在管壁、只管收发声波,管道内部干干净净——这就是它能“非侵入”测流量的根本原因,也是它在大口径和高洁净度场合受欢迎的底气。 |
参见 7.4.4 条
二两种测法:时差法与多普勒法
超声波测流量有两条技术路线,规范说得很明确:洁净流体用时差法,液体里含固体颗粒或气泡的用多普勒法。这两种测法的逻辑正好相反,挑哪种,第一眼就看流体干不干净。

图2 时差法与多普勒法
原理为什么干净流体用时差、脏的反倒用多普勒? 时差法靠声波“直穿”流体测时间差,最怕流体里有杂质——固体颗粒、气泡会把声波散射、衰减掉,信号一乱时间差就测不准。所以它要求流体洁净,越干净测得越准。 多普勒法恰恰反着来:它要靠流体里的固体颗粒或气泡当“反射体”,声波打在这些随流体一起运动的颗粒上反射回来,反射波的频率会发生偏移,频移量正比于颗粒(也就是流体)的速度。没有这些“杂质”,多普勒法反而无从测起。 所以这不是谁好谁坏,而是看流体给你哪种“抓手”:干净流体让你测时间,脏流体让你测频移。 |
参见 7.4.4 条 b 款
三它最擅长什么工况
规范一句话点出了超声波的定位:适用于可导声的流体,特别适合大口径管道、非导电性及强腐蚀性、放射性等恶劣工况。换句话说,越是别的流量计犯难的场合,越是它的主场。

图3 超声波流量计最擅长的工况
原理为什么大口径、强腐蚀这些场合特别合适? 大口径:普通流量计的成本和安装难度往往随管径飞涨,而超声波是靠声波穿越管道测量,口径越大对它越不构成障碍,成本优势反而更明显。 非导电:电磁流量计要求介质导电,遇到油品、纯水这类不导电介质就用不了;超声波只要流体能传声就行,不挑导电性。 强腐蚀、放射性:声波可以做到不直接接触介质(尤其夹持式),换能器贴在管壁外,腐蚀性、放射性介质伤不到测量元件,也不破坏流场——这些恶劣、不便接触的工况,正好扬长避短。 唯一的硬前提是流体得“可导声”:声波得能在介质里传得过去,含太多气体或衰减太强的介质就不行。 |
参见 7.4.4 条 a 款
四精度怎么配:声道与安装
同样是超声波,配置不同,精度档次差很多。规范给了清楚的界线:要做贸易计量、大范围度或低雷诺数测量,应采用多声道(多于 2 声道);而管道夹持式只能用于低精确度、非关键性的流体测量。

图4 多声道与夹持式的配置取舍
原理为什么贸易计量要多声道、夹持式只能干粗活? 单声道只在一条线上测流速,可流体在管道截面上的流速分布并不均匀(尤其低雷诺数、弯管下游流场畸变时)。多声道在截面上布好几条声道同时测、再加权平均,把流速分布的不均匀性也照顾到,精度自然高得多——所以贸易结算、大范围度这种较真的场合得用多声道。 夹持式是把换能器卡在管壁外侧、隔着管壁发收声波,装拆方便、甚至能临时测,胜在便宜灵活。但隔着一层管壁,声波要两次穿过管壁和内衬,信号衰减、误差都更大,对管壁状况也敏感,所以规范限定它只能用于低精确度、非关键性测量,绝不能拿去做贸易计量。 一句话:要精度、要计量就插入式多声道,图省事、非关键才用夹持式。 |
参见 7.4.4 条 c、d 款
小结
超声波流量计靠声波穿越流体测流速,不挡流路、可非接触,是大口径、非导电、强腐蚀、放射性等恶劣工况的拿手好戏。选型时先看流体干不干净——洁净流体走时差法,含颗粒或气泡的走多普勒法;再按精度需求定配置——贸易计量、大范围度、低雷诺数就上多声道插入式,非关键场合才用图方便的夹持式;前提始终是流体可导声。把这几条对上工况,超声波就能用在最适合它的地方。
本文内容均整理自 SH/T 3005—2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》(第 7.4.4 条)
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