主题：【分享】声波流量计在小管径，低流量计量中的实施方案

概述：超声波流量计因其运行稳定，测量精度高、非接触式测量、电子信号测试路线高度集成，易于自动化管理等优点，已经广泛运用于化工、冶金、石油、电力等行业。然而，在小管径、低流速测量中的并没有完善成熟的产品。本文提供了一种解决换能器参数选择问题的参考方案。

一、换能器发射频率的选择

超声波发射频率是影响超声波传播的重要因素。其频率高，能量就集中，方向性好，分辨能力高。随着超声波在介质中传播越远，而频率衰减越快，无形增加电路设计难度。所以，选择合适的频率的换能器是研究的课题之一。

由物理原理可知，声波在介质中传播时，介质分子吸收、粘滞性和热传导等会造成频率的超声波的衰减。按照Krichoff理论，衰减是考量衰减频率的主要指标，根据实际测量环境，高温炉中冷却水的进出水温差要保证在允许的范围内，水循环闭路系统中，水的温度一般低于30℃。以水温30℃时分析超声波在冷却水中的传播，由相关理论公式得知，在水中低频率时的传播衰减低，换能器的指向性比较差，分辨力差，测量精度大大减低，故而一般测量液体的超声波换能器中心频率选为1~5MHz。所以，针对测量小管径流量，换能器频率一般约1MHz.为了使工作在最佳状态，信号脉冲频率应与探头中心频率一致，才可以使换能器输出功率最大化，灵敏度最高。

二、换能器发射角的选择

由物理现象可知，超声波从一种介质入射至另一介质时，会发生折射、反射和波形转换等现象。在气体和液体中不能传播横波，由此可见，不是任何介质中都具有波形转换。为此，选取入射角应大于第一临界角而小于第二临界角，以保证一束波能被转换器接收。在高温炉内，冷却水传输管道材质为钢材料，故转换器采用有机玻璃作为声导。超声波在冷却水管道中传播过程，可分为三阶段，及有机玻璃至钢种、钢至水中、水至钢种。通过分析这三个阶段得出换能发射角度，在大量的数据演算和层层理论推导，按照入射角大于第一临界角而小于第二临界角的要求，得出超声波发射角度范围：27.6°~54.84°。再通过对超声波在管道中传播过程的分析，同时考虑发射率和透射率，设计选取30°为换能器发射角度。

三、换能器发射强度的选取

由于换能器接收到的信号一般要去在几十毫伏以上，为了使接收换能器可靠工作，换能器必须能够发射出足够的能量，以便换能器分辨处理回波，提高测量精度。

由于所测管道内径属小径测量，超声波传播距离比较短，传播过程中的衰减比较小，所以采用低压驱动的换能器就可以满足测量要求。

  总结：实验证明，超声波换能器的准确选取提高了流量计的精确性和稳定性，降低了流量计的能量损耗，具有一定的流量意义。(节选《仪表自动化》)