超声波流量计，是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表，具有非接触、测量范围宽、携带安装方便、对管径的适应性强、使用方便、易于数字化等特点，被广泛应用于气体和流体的流速、流量的现场检测，本文主要介绍目前最为常用的超声波流量计的设计原理，并对其测量误差的测量不确定度进行分析评定，以及提高现场测量精度的方法。

一、超声波流量计的测量原理

超声波流量计其工作原理如图１所示。２个超声超声波探头，顺流换能器Ａ用于发射超声波脉冲信号和逆流换能器Ｂ用于接受超声波脉冲信号，其安装方式为外夹Ｚ法，２只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为ｄ，超声波顺流速度为Ｖ，超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。

二、测量不确定度分析

由公式（３）流体流量，由管道内直径ｄ、被测流体中的理论声速Ｃ、声波折射角正切ｔａｎθ、流体顺逆流流过换能器ＡＢ时间差Δｔ、等４部分组成，其测量不确定度分析如下。

１、管道内直径ｄ测量重复性引入不确定度ｕｒｅｌ（ｄ）的评定

根据国家标准，管道公称直径Ｄ和管道厚度ｓ只是近似的一个名义尺寸，每次必须测量管道外径Ｄ和管道厚度ｓ，因此，此项不确定度有２项分量，即被测对象测量重复性引入和现场使用的计量器具的测量不确定度引入，据我院现场实际测量经验，管道内直径ｄ测量不确定度一般为Ｕｒｅｌ（ｄ）＝０．５％（ｋ＝２）；所以，管道内直径ｄ测量引入的标准不确定度：

ｕｒｅｌ（ｄ）＝Ｕｒｅｌ（ｄ）／ｋ＝０．５％／２＝０．２５％

２、测流体声速Ｃ引入不确定度ｕｒｅｌ（Ｃ）的评定

通过技术资料，此项不确定度按Ｂ类评定，被测流体中的声速测量不确定度，通过技术资料为

Ｕｒｅｌ（Ｃ）＝０．６％（ｋ＝２），可直接引用：

ｕｒｅｌ（Ｃ）＝Ｕｒｅｌ（Ｃ）／ｋ＝０．６％／２＝０．３％

３、换能器Ａ和Ｂ之间的距离ｌ测量重复性引入

不确定度ｕｒｅｌ（ｌ）的评定顺流换能器Ａ和逆流换能器Ｂ之间的距离ｌ的测量不确定度有２项分量，即被测对象测量重复性引入和现场使用的计量器具的测量不确定度引入，据我院现场实际测量经验，换能器Ａ和Ｂ之间的距离ｌ测量重复性引入的标准不确定度一般为

Ｕｒｅｌ（ｌ）＝０．６％（ｋ＝２）：

ｕｒｅｌ（ｌ）＝ｓ／ｋ＝０．５％／２＝０．２５％

４、流体顺逆流流过换能器ＡＢ时间差Δｔ测引入

不确定度ｕ（Δｔ）的评定超声波流量计流体顺逆流流过换能器ＡＢ时间差Δｔ的测量，他由顺流换能器Ａ发射脉冲到Ｂ时间为ｔ１，逆流从Ｂ发射脉冲到Ａ的时间为ｔ２，在相减得到（见图１）。由公式（１）得，它的不确定度分量主要还是由由顺流换能器Ａ和逆流换能器Ｂ之间的距离ｌ、管道内直径ｄ、被测流体中的声速Ｃ决定，时间、频率的测量准确度在所有测量专业中是最高，由超声波流量计脉冲计时测量产生的误差可忽略，距离ｌ、管道内直径ｄ、被测流体中的声速Ｃ，以记入其他不确定度分量，因此流体顺逆流流过换能器ＡＢ时间差Δｔ测引入不确定度ｕ（Δｔ）可忽略不计。

三、超声波流量计提高现场测量精度的方法

在现场测量中，首先是进行综合分析各种因素，这些因素对最终的测量结果都有着一定的影响，具体如下。

１、声速Ｃ不确定度的影响以及提高现场测量精度的经验方法

在现场测量开始前，应要求被测方提供被测管道中的的工作介质，如果介质是气体，应提供具体气体成分、工作温度、工作压力等、超声波声速的可通过以上资料查相应国家标准可得到，此。时测超声波流量计工作介质声速Ｃ的影响对测量结果影响较少。如果介质是液体，应提供具体液体名称、工作压力、工作温度、工作压力、液体中是否有悬浮颗粒等参数；此时声速的设置要考虑到温度的影响。水溶液的声速大于水的声速，并且大部分流体温度越高声速越快，当流体中颗粒较多（但在测量要求范围内）时有以下两种情况应对方法：①均匀分布的颗粒，这种情况信号较稳定，通过测量很难发现，需要被测方提供颗粒出现的原因及颗粒种类，已知颗粒种类情况下可适当调整流体的声速，比对信号质量得出更准确的测量结果。②不均匀颗粒，信号强度的跳动会比较严重，此时最好的方法就是长时间测量，在信号质量较好的几个时间点上读数取平均值。

２、换能器Ａ和Ｂ之间的距离ｌ和管道内直径ｄ

测量重复性的影响以及提高现场测量精度的方法在测量管路的选择上，应选择远离泵站阀门且管道平直，工作介质流速稳定的地方；如果管路中的介质是液体，还要选择一般不容易出现下部会沉积，上部容易留有空气的管段。在测量开始时应先垂直安装探头测量，然后再水平安装探头测量，如果在其他参数不变的情况下，２次测量的差值在超声波流量计最大允许误差的情况下，再在详细设置参数进行下一步测量，否则因重新选择管道进行测量（因为两次测量的差值超过超声波流量计允许误差的情况下，说明管段未充满工作介质）。

在详细设置参数进行下一步测量时，此时对测量准确性的影响主要来自换能器Ａ和Ｂ之间的距离ｌ和管道内直径ｄ测量；距离ｌ的测量一般根据ｌ的距离选择钢直尺，或游标卡尺即可，管道内直径ｄ测量，当管道外直径较小时直接用游标卡尺测量即可。当管道外直径较大时，最好选用精密钢直尺测量周长再计算直径；当测量内部沉积、污垢比较严重的管路时，可以适当的将管壁参数ｓ调大，将管壁的声速适当调小。当测量内部腐蚀比较严重的管路，可以适当的将管壁参数ｓ调小，但管壁的声速不变。

从时差法法超声波流量计原理出发，对超声波流量计误差的测量不确定度进行了分析评定，根据我院从事超声波流量计的现场使用的多年检测经验积累，提出了几点提高超声波流量计现场测量精度的经验并进行了说明，希望能对从事超声波流量使用的同仁们有所启迪和帮助。