时差法超声波流量计的原理和设计
王润田
1 引言
超声波用于气体和流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。经常有读者回询问有关超声波流量测量方面的问题。作为普及，我们将陆续撰写一些专题文章，来介绍一些相关知识，以便推广和普及超声波流量技术的普及和提高。本文主要介绍目前最为常用的测量方法：时差法超声波流量计的原理和设计。
2 时差法超声波流量计的原理
时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如图1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
图1 时差法超声波流量测量原理示意图
图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两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，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：
式中X是两个换能器在管线方向上的间距。
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：
图2 超声波流量计的电原理框图
4 结语
时差法超声波流量计的换能器安装方式可以有多种。常见的有外加式和管段式，也有介入式，比如家用煤气表一般可采用介入式。无论何种安装方式其原理大同小异。比如介入式就是取上面公式中的θ=0。
超声波波用于流体的测量还有其他几种基于不同原理的测量方法：多卜勒频移法、相位差法和相关法等等，各有优缺点，可根据不同的使用条件和计量精度等因素加以选取。
随着电子技术的迅速发展、超声波技术的普及以及产品成本的降低和可靠性的提高，我们相信，超声波流量仪表将成为流体计量中最为普遍采用的手段。
参考文献：
超声波水表使用手册
感谢选用TPP-70SW系列超声波水表。 TPP-70SW系列超声波水表是基于超声波时差法原理设计而成的性能卓越的超声波测流产品。 本公司对TPP-70SW系列超声波水表拥有完整的、独立的知识产权。 使用过程中如有任何问题，欢迎来电来函。
执行标准： 生产标准：中华人民共和国国家标准GB/T778-2007《封闭满管道中水流量的测量，饮用冷水水表和热水水表》 检定标准：中华人民共和国国家计量检定规程JJG162-2009《冷水水表》 重要提示： 1、使用前请详尽阅读使用手册，并妥善保管使用手册，以备查阅； 2、本产品为精密测量仪器，在安装与使用过程中尽量远离干扰源，选择合理的安装位置，并避免严重撞击、碰撞； 3、本产品出厂前均经过严格的质量检测，严禁非规范性操作或私自拆卸，否则后果自负； 4、显示图案、提示等均为窗口操作提示，并不能作为产品检定依据； 5、产品检定，请选择符合国家计量要求，正规的流量检定装置，并严格按照规范操作； 6、TPP-70SW会不定期进行升级，产品实际功能与本手册不一致时，请以实际产品为准或向厂家咨询； 7、出现错误提示时，请及时联系厂家或经销商，否则会造成流量损失。
一、产品特点： 专门用于小区分户或其它场所的小口径用水的精准计量； 最小可测流速仅为0.003m/s,真正实现滴水计量； 可实现正反流量的双向计量； 双行同屏显示，完整的提示功能，方便查询、诊断； 机身可自由近360度旋转，方便用户查阅； 小体积微功耗设计，实际使用寿命10年以上； 优良的线性度，在满量程范围内，线性一致，无须多点校正；完美的软件扩展功能，可满足不同用户的定制要求； 多种计量单位可选，满足不同国家的用户需求； 二、产品外形尺寸
题目：超声波传输时差法的测量 姓名： . 学号： . 班级： . 同组成员： . 指导教师： . 日期： .
关键词：超声波流量计，时差法，换能器，脉冲 第一部分:摘要 1.中文摘要： 超声波用于气体和流体的流速有许多优点。和传统的机械式流量仪表，电磁式流量仪表相比它的计量精度高，对管径的适应性强，非接触流体，使用方便，易于数字化管理等。 近年来，由于电子计术的发展，电子元器件的成本大幅度下降，思潮申博流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。 根据其原理，研究了几种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了一定的探讨和研究：根据流体力学及物理学的有关知识，对超声波流量计进行了相关了解。针对传统时差法超声波流量计测量精度易受温度影响的问题，采用了改进型算法，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响。在多种测量原理及方法下，这里我们则采用的是多脉冲测量法的原理和应用。 当然，我们还要结合课题的实际情况，对时差法超声波流量计的硬件电路进行详细的分析和设计，讨论器件的选择、参数计算等技术问题，设计出了换能器发射和接收超声波的等效电路，当其换能器发射超声波时，相当于换能器给相应的计数环节给以上升沿脉冲使其开始计数，同理，当换能器接收超声波时也产生一个上升沿脉冲，来作用于相对应的计数器使其停止计数。 针对超声波流量计的工作环境，由于条件的限制，我们只能在普通环境下进行我们的课题设计。对造成超声波流量测量误差的各种因素我们也只能进行常规
的分析以及改进。 2.英文摘要： The FV ultrasonic flowmeter is designed to measure the fluid velocity of liquid within a closed conduit. The transducers are a non-contacting, clamp-on type, which will provide benefits of non-foulingoperation and easy installation. The FV transit-time flowmeter utilizes two transducers that function as both ultrasonic transmitters and receivers. The transducers are clamped on the outside of a closed pipe at a specific distance fromeach other. The transducers can be mounted in V-method where the sound transverses the pipe twice,or W-method where the sound transverses the pipe four times, or in Z-method where the transducersare mounted on opposite sides of the pipe and the sound crosses the pipe once. This selection of themounting method depends on pipe and liquid characteristics. The flow meter operates by
超声波水表要点详解 水表相信大家都不陌生，它记录通过记录显示我们日常用水量计算水费支出。但是传统的水表由于计算的精确性及本身质量经不起外界考验正被逐渐淘汰。与此同时，很多现代的高质量水表面世，其中就包括超声波水表，你了解超声波水表吗？接下来跟着小编一起看看吧。 一、什么是超声波水表？ 超声波水表是通过检测超声波声束在水中顺流逆流传播时因速度发生变化而产生的时差，分析处理得出水的流速从而进一步积算出水的流量的一种新式水表。 具有优秀的小流量检测能力，能解决众多传统水表的问题，更加适合水费梯度收费，更加适合水资源的节约和合理利用，具有广阔的市场和使用前景。
二、超声波水表检定规程是怎样的? 1、组成和现状 目前有效版本的水表检定规程为JJGl62-1985《水表及其试验装置》、JJG258—1988《水平螺翼式水表》、JJG585—1989《高压水表》和JJG686—1990《热水表》。四个规程中以JJGl62—1985《水表及其试验装置》具有代表性，与84版的水表国家标准GB778—1984《公称口径15～40mm旋翼式冷水水表》内容协调一致，但由于起草年份较早又因故未能及时修订，在术语、符号和个别技术参数等方面已与其它水表技术文件不一致。水表国家标准于1996年等效或等同采用了国际标准进行了修订。带电子装置水表等新品种的不断出现也增加了现有的水表技术法规修改和补充的必要性。
2、改动趋势 考虑到热水表的检定装置、方法与冷水水表有着较大的区别，热水表的检定规程仍单独制定。我国新的水表国家检定规程等效采用国际建议R49—1：2000(E)，已完成修订工作。按照全国流量容量计量技术委员会1998年制定的流量规程体系表，JJGl62—1985中“水表试验装置”的相关要求和检定方法内容归人JJGl64—2000《液体流量标准装置》中进行表达，新的水表检定规程的修订将包括JJGl62—1985中的“水表”部分、JJG258—1988《水平螺翼式水表》和JJG585—1989《高压水表》。考虑到热水表的检定装置、方法与冷水水表有着较大的区别，热水表的检定规程仍单独制定。
超声衍射时差（TOFD）技术原理简介（含图表） 1.超声衍射时差(TOFD)技术介绍 “TOFD”即Timeofflightdiffraction，译成中文是“超声波衍射时差法检测”，TOFD检测技术原理是利用超声波遇到诸如裂纹等的缺陷时，将在缺陷尖端发生迭加到正常反射波上的衍射波，探头探测到衍射波，从而判定缺陷的大小和深度。极大地提高了缺陷检出率。TOFD检验技术具有缺陷检出能力强、缺陷定位精度高、节省设备的制造时间等特点，在检测资料上保证安全，并且可以用数字型式永久保存，恰好弥补了常规超声波检测技术的不足。 此技术首先是应用于核工业设备检验，如今在电力、石化、管道、压力容器、钢结构等方面多有应用。 上个世纪七十年代早期，英国原子能管理局(UnitedKingdomAtomicEnergyAuthority，即UKAEA)的国家无损检测研究中心的Harwell实验室提出了了超声波衍射在UT中应用的原理。UKAEA为了开发比常规超声波检测更精确的缺陷定量技术，最早由史可·毛瑞斯(SILKMG)博士开发出了超声衍射时差技术 - 1 -
(TimeofFlightDiffraction，简称TOFD)。后来欧美国家的有关机构进行了大量的试验，到80年代早期证实，对于核反应堆的压力容器和主要部件，TOFD技术作为超声检测是可行的，其可靠性和精度要高于常规超声检测(即脉冲回波)技术；相比常规的脉冲回波技术，当时的TOFD 技术有几个最明显的不同，一是很高的定量精度，绝对误差<±1mm，而裂纹监测的误差<±0.3mm；二是对缺陷的方向和角度不敏感，不向脉冲回波技术那样对某些方向的缺陷有“盲区”；三是对缺陷的定量不是基于信号的波幅，而是基于缺陷尖端衍射信号的声程和时间。 后来开发了便携的设备系统(即国际无损检测中心的ZIPSCAN)，TOFD技术被国际工业界广泛公认。90年代，该项技术开始应用与石油化工管线的检测。此后，BSI、ASTM、ASME以及EN等相继承认了TOFD检测技术，颁布并不断修订了有关标准。而发展到今天，世界上有很多无损检测设备制造商开发了很多数字化的无损检测系统可以满足上述标准进行TOFD检测。当然，顶尖的制造商的设备系统可能还具备或者同时兼容常规超声、超声相控阵(PA)、常规涡流(ECT)和涡流阵列(ECTARRY)检 - 2 -
[超声波衍射时差法（TOFD）检测中参数设定的研究]超声波 衍射时差法 摘?要在TOFD检测过程中，相关参数的设置非常为重要，关系到采集图谱质量的好坏。下面，就结合现场情况，把TOFD检测实践中的一些见解归纳分析一下，主要以ISONIC系列仪器进行研究。 关键词 TOFD检测；ISONIC；参数设定；研究 TN914 A 1673-9671-(xx)071-0198-01 1 TOFD检测中的参数设置的重要性 TOFD检测扫描前主要注意的参数有：探头真实频率，脉冲宽度，重复频率，阻抗，感抗，滤波频率，信号平均值，时间窗口，增益等参数。 脉冲宽度是非常重要的，它有助于优化接受信号的形状。改变脉冲宽度可以导致不同周期部分减弱或加强。如果想使两个超声脉冲组成单一频率的信号，则应将脉冲宽度设置为所用探头频率周期的一半（例：5 MHz时使用100 ns）；为了使信号持续最低周期数，应将脉冲宽度设置为所用探头频率的一个周期（例：5 MHz时使用200 ns）。
其中探头频率必须是探头实际频率，而不是探头的标称频率。在实际工作中必须通过试验来获得最优脉冲宽度。 如果使用手动采集数据，则需要注意脉冲重复频率PRF与探头移动速度必须相匹配，由于手动扫查时计算机不能判断和控制探头移动，只能由操作者正确选择PRF来保证能正常采集A扫数据。若采用编码器或者电机驱动，则PRF相对不重要，因计算机可以计算出探头位置，在规定的A扫采样率间隔采集数据。若PRF设置不当时将采集到空白A扫。 阻抗Tuning项匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。 感抗damping项的单位是欧。知道了交流电的频率f（Hz）和线圈的电感L（H），就可以把感抗计算出来。在实际调节射频波波幅时，需要不断地改变感抗值来选择最优波幅，使图谱效果达到最佳。 在选择高低通滤波器频率时，推荐滤波器带通宽度的最小范围是0.5到2倍的探头中心频率。选择信号平均值至最低要求，以获得一个合理的信噪比，设置时间窗口覆盖A扫的有用部分，以便数字化。
时差法超声波流量计
1 引言 超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波流量计市场正以前所未有的发展速度向前发展。 2 超声波流量计分类 根据对信号检测的原理，超声波流量计可分为多普勒法、波束偏移法、噪声发、相关法等。 2.1 多普勒法 多普勒法是应用声学中多普勒原理，检测反射声波与发射声波之间的频率偏移量即可以测定流体的流动速度，进而测出流体流量。其工作原理如图1所示。 图1 多普勒法工作原理图 Fig.1 Theory of Doppler approach 管壁两侧分别装有发射和接收两个超声波换能器，发射器向含有固体颗粒的流体中发射频率为0f 的连续超声波。根据多普勒效应，在中间相交区的频率为1f ，接收器收到的经固体颗粒反射后的超声波频率为 2f ，当粒子流速均为u 时，其关系为： )sin 21()sin 1()sin 1(02012C u f C u f C u f f β ββ-≈-=- = (1) β sin 2)(020f C f f u -= (2) 多普勒法只能用来测量含有固体颗粒的流体，比如血液、污水、蒸汽等。 2.2 波束偏移法 波束偏移法是根据测量由于流体流动而引起的超声波束偏移角来确定流体流速的。其测量原理如图2所示。
图2 波束偏移法原理图 Fig.2 Theory of beam-excursion approach 流速越大，偏移角越大，而两接收器收到的信号强度差值也越大，因此测出两接收器的信号强度差值可确定流体的流速。波束偏移法用于测量准确度要求不高的高速流体流量测量。 3 时差法原理 3.1 时差法 时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速。基本原理如图3所示。 图3 时差法工作原理图 Fig.3 Theory of transit-time method 超声波换能器A 、B 是一对可轮流发射或接收超声波脉冲的换能器。设超声波信号在被测流体中的速度为C ，顺流从A 到B 时间为1t ，逆流从B 到A 时间为2t ，外界传输延迟总时间为0t 。则由几何关系可知 01sin cos /t v C d t ++= θ θ (3) 02sin cos /t v C d t +-= θ θ (4) 由于2 C >> θ2 2 sin v ,则
浅析超声波水表流量校准方法 超声波水表以其高准确度、低始动流量、压损小、量程比宽等特点迅速在供水行业中得到广泛使用，随着超声测流技术的不断进步，超声波水表的技术也在不断发展。尤其在2013年超声波水表国家标准制定完成后，各个公司更是掀起了超声波水表研发热潮。超声波水表研发入门容易，但是一个公司从研发到量产高质量符合国家标准的超声波水表需要较长的研发周期。 本文主要介绍深圳市世强先进科技有限公司技术中心超声波水表研发团队根据长期摸索，如何实现超声波水表流量校准的。 1、世强超声波水表方案框图 EFM32G840F64+GP22超声波水表方案功耗低，外围元器件少，友好的软件开发环境等优势使该方案逐渐成为国内超声波水表研发的主流方案。目前国内已经有十几家水表公司采用这个方案。结构框图见图1。 图1 超声波水表结构框图 2、超声波水表流量校准方法 以校准一个流量点为例进行介绍。 首先实验获得批量生产样表的基础数据。 以20口径超声波水表为例，校准2500升/小时流量点，每10秒钟约走水6.94升。
实验获得在约2500升/小时流速时，飞行时间差为2微秒，这样，在这次批量生产的表中预设一组数据：2微秒，6.94升。然后开始生产校准，约2500升/小时的流速，校准用水大约65升左右，耗时约94秒。校准过程中，EFM32G840F64每10秒钟累计流量增加6.94升，直到校准完成，不足10秒按百分比累计流量。在校准过程中，EFM32G840F64也一直在计算飞行时间差的平均值。 校准过程结束后，EFM32G840F64首先记下平均飞行时间差，这个时间差就是这块表在约2500升/小时流速时的平均飞行时间差（实际的水流速度可能不是2500升/小时，因为很难精确的调到这个流速，再者流速一直在抖动，但是飞行时间差和流速是局部线性的，允许有偏差）。EFM32G840F64再通过串口从上位机得到实际累计了多少流量，实际标准流量除以EFM32G840F64校准时间内累计的流量，这个比例系数乘以6.94，就是这块表在约2500升/小时的流速时每10秒实际应该累计的流量。 至此，得到了约2500升/小时流速时的一组实际数据：实际飞行时间差，实际每10秒累计流量。再一次测试这个流速下的数据时，以这组数据为准，超声波水表精度就已经很高了。 3、结论 世强技术中心超声波水表研发团队在充分利用EFM32G840F64和GP22芯片性能优势的基础上，经过近5年的实验，成功开发出低功耗超声波滴水表。 应用这种校准方法，客户在量产的过程中，超声波水表校准完成后，再进行复测，合格率高达98%以上。
用超声波流量计测量超声声速 姓名：田田班级：网络（2）班学号：090602231 摘要：在大学物理实验里，我们学习了用共振干涉法和相位比较法测量超声声速，但在工程中运用的是更为精确的时差法测量超声声速。在此，我们可以使用超声波流量计进行测量。超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。 关键字：时差法，超声声速，超声波流量计 Use ultrasound flowmeter measurement ultrasonic velocity Name:TianTian class: network (2) class student id: 090602231 Abstract:in university physics experiment, we studied the use is also called the resonant interfering method and phase comparison ultrasonic velocity measurement, but in engineering is the use of more precise time difference method for measuring the ultrasonic velocity. Here, we can use the ultrasonic flowmeter measurements. Ultrasonic flowmeter is through testing the fluid flow of ultrasonic beam (or ultrasonic pulse) role to measure flow meter. According to the principle of signal detection ultrasound flowmeter can be divided into velocity differential method (direct time difference method, the method of time difference, the method of phase difference and frequency offset method), beam migration method, doppler method, cross-correlation method, space filter method and noise method, etc. Ultrasonic flowmeter and electromagnetic flowmeter is same, because instrument circulation channel not set any block up pieces, belong to the unimpeded flowmeter is suitable for solving the flow measurement
重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 超声波流量计由于具有非接触式测量、测量范围宽、安装简便、以及特别适合大管径及危险性流体流量测量等优点，被供水、石油、化工、电力等部门广泛应用。然而，由于超声波流量计只是在近几十年才出现的一种新型仪表，还有很多不完善的地方，比如成本较高、精度不够等，有必要对其加以改进和提高。 本论文通过充分调研及查阅大量的文献资料，选择时差法超声波流量计为研究对象，对如何提高系统的精度及系统稳定性和可靠性问题进行了深入的理论研究，并设计了具体的硬件电路，主要工作及创新有： 1.研究了几种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了较深入的研究；根据流体力学及物理学的有关知识，对超声波流量计进行了修正，并给出了不同情况下流量修正系数的计算公式； 2.针对传统时差法超声波流量计测量精度易受温度影响的问题，采用了改进型算法，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响；介绍了几种常用提高超声波测时精度方法的同时，讨论并采用了超声波时差测量的新方法——多脉冲测量法的原理和应用； 3.结合课题的实际情况，对时差法超声波流量计的硬件电路进行了详细的分析和设计，讨论了器件的选择、参数计算等技术问题，设计出了匹配性能良好的发射、接收电路；在信号调理上，除了常规的滤波电路外，还采用了自动增益放大电路来提高信号的可靠性；而且，采用主从单片机协同工作的方式，提高了系统的稳定性；在软件方面，给出了系统的软件流程图并较详细地叙述了算法的实现； 4.针对流量计的工作环境，对流量计系统的抗干扰性进行了研究，并采取了相应的软、硬件措施； 5.对造成超声波流量测量误差的各种因素进行了详细的分析、研究，并应用误差理论，对时差法超声波流量计的各种可能的误差进行了误差分配和合成；对硬件电路和软件进行了试验性的验证，给出了实验结果。 关键词：超声波流量计，时差法，传播时间
一、培训总结 1、水表 超声波水表严格安装GB/T 778-2007标准及JJG 162-2009冷水水表检定规程制定，各种技术参数均满足标准要求。这是一种计量水流量的计量仪表，主要用于水费收取。 流量计多用于工业检测控制，水表多用于水的计量贸易；我公司水表产品T3-1也可用于工业控制。 超声波水表的工作原理： 在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算出流量。超声波在水中的传播速度为1440m/s，这是一种能量高，有方向性，穿透力强，稳定的光速。时差原理：利用一对或多对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波。 精度保证：采用双声道，管道分层独立测量，充分满足流体力学，每秒1次为一个测量周期，每个周期两个声道分别采集128次数据。制作及出厂前，采用全自动标定台，多点标定折线系数标定，保证测量精度。满足标准高区5%，低区2% 。 2、水表的相关知识点 流量：流过水表的实际水体积与该体积流过水表的所用时间之商。 最大允许误差：GB/T778的本部分允许的水表相对示值误差的极限值。（误差计算公式：（实际值-测量值）/实际值） 始动流量：水表开始计量的最小流量（精度不做要求）。 最小流量Q1：要求水表示值在符合最大允许误差的的最低流量。 分界流量Q2：Q3与Q1之间，将流量划分为低区和高区，Q2：Q1=1.6。 常用流量Q3：额定工作条件下的最大流量。在此流量下水表应能正常工作，而且误差符合最大允许要求。 过载流量Q4：短时间应该符合国标要求，随后在额定条件下能保持计量特性的最大流量。Q4：Q3=1.25。 量程比：最大测量围和最小测量围之比，用字母R表示，R=Q3：Q1。量程比越大，水表的测量围就越大。按照GB/T778-2007，量程比是确定的，通常，水表的量程比为：25、40、63、80、100、160、200。 最大允许误差：低区的最大允许误差 水温在额定工作条件规定围以时，以最小流量（Q1）与分界流量（Q2）（不包括Q2）之间的流量排出的体积的最大允许误差为±5%。 高区的最大允许误差 以分界流量（Q2）（包括Q2）与过载流量（Q4）之间的流量排出的体积的最大允许误差；——水温≤30℃时为2%； ——水温＞30℃时为±3%。 3、道盛的双声道超声波水表 1、性能优势 1）、始动流量低，可避免小流量不计量，增加水费收入。 2）、测量精度高，是水费收入准确的可靠保证。 3）、量程比宽，适用不同用水量的各种用户，也适用于用水高低峰明显较大的用户。 4）、通讯方便，输出信号种类多，方便网络监控，计算机管理，提高工作效率。 5）、无阻流元件，适用于多种水质，可长期保证测量精度，整机可靠性高。 6）、自带电池供电，至少适用寿命6年，整体及各个部件全部IP68处理，使用长久。 7）、可通过手抄器直接读取水表信息，无需人工下井抄表。 8）、压力损耗低，仅10kPa，工作环境要求低。
时差法超声波流量计的原理和设计 王润田 1 引言 超声波用于气体和流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。经常有读者回询问有关超声波流量测量方面的问题。作为普及，我们将陆续撰写一些专题文章，来介绍一些相关知识，以便推广和普及超声波流量技术的普及和提高。本文主要介绍目前最为常用的测量方法：时差法超声波流量计的原理和设计。 2 时差法超声波流量计的原理 时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如图1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。 图1 时差法超声波流量测量原理示意图 图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两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，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：
式中X是两个换能器在管线方向上的间距。 为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：
图2 超声波流量计的电原理框图 4 结语 时差法超声波流量计的换能器安装方式可以有多种。常见的有外加式和管段式，也有介入式，比如家用煤气表一般可采用介入式。无论何种安装方式其原理大同小异。比如介入式就是取上面公式中的θ=0。 超声波波用于流体的测量还有其他几种基于不同原理的测量方法：多卜勒频移法、相位差法和相关法等等，各有优缺点，可根据不同的使用条件和计量精度等因素加以选取。 随着电子技术的迅速发展、超声波技术的普及以及产品成本的降低和可靠性的提高，我们相信，超声波流量仪表将成为流体计量中最为普遍采用的手段。 参考文献：
超声波流量计的测量原理 超声波流量计 超声波流量计是一种非接触式流量测量仪表，近20多年发展迅速，已成为流量测量仪表中一种不可缺少的仪表。尤其在大管径管道流量测量，含有固体颗粒的两相流的流量测量，对腐蚀性介质和易燃易爆介质的流量侧量，河流和水渠等敞开渠道的流量及非充满水管的流量测量等方面，与其他测量方法相比，具有明显的优点。 超声波流量计的测量原理 超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性实现流量测量的。电磁流量计超声波在流体中传播时，将载上流体流速的信息。因此，通过接收到的超声波，就可以检测出被测流体的流速，再换算成流量，从而实现测量流量的目的。 利用超声波测量流且的方法很多。根据对信号检测的方式，大致可分为传播速度法、多普勒法、相关法、波束偏移法等。在工业生产测量中应用传播速度法最为普遍。 1.传播速度法 根据在流动流体中超声波顺流与逆流传播速度的视差与被测流体流速有关的原理，检测出流体流速的方法，称为传播速度法。很据具体测最参数的不同，又可分为时差法、相差法和频差法。 传播速度法的基本原理如图2.59所示。远传式水表从两个作为发射器的超声换能器T, , T,发出两束超声波脉冲。各自达到下、上游两个作为接收器的超声换能器R，和RZ。设流体静止时超声波声速为C，发射器与接收器的间距为L。则当流体速度为时，顺流的传播时间为式中，L, C均为常量，所以只要能测得时差At，就可得到流体流速。，进而求得流最p。这就是时差法。 时差法存在两方面间题:一是计算公式中包括有声速C，可拆卸螺翼式水表它受流体成分、沮度影响较大，从而给测量带来误差;另一是顺、逆传播时差At的数量级很小(约为10-’一10"9s),测量Lt，过去需用复杂的电子线路才能实现。 相差法是通过测量上述两超声波信号的相位差△lp来代替测量时间差6r的方法。如图2.61，设顺流方向声波信号的相位为9).二“:;逆流方向声波信号的相位为T2 =则结合式(2.56)可得逆、顺流信号的相位差为式中。—声波信号的角频率。 此方法可通过提高。来取得较大的相位差乙甲，滴水计数水表从而可提高测量精度。但此方法仍然没有解决计算公式中包含声速C的影响。 频差法是通过测量顺流和逆流时超声波脉冲的重复频率差来测量流量的方法。该方法是将发射器发射的超声波脉冲信号，经接受器接受并放大后，再次切换到发射器重新发射，形成“回鸣”，并如此重复进行。由于超声波脉冲信号是在发射器一流体一接收器一放大电路一发射器系统内循环的，故此法又称为声还法。脉冲在生还系统中一个来回所需时间的倒数称为声还频率(即重复频率)，它的周
超声波水表 使 用 说 明 书
二、特点 1、欠电压报警。 2、自动数据纠错技术。 3、温度传感器断路和短路报警。 4、流量传感器故障报警。 5、高清晰度宽温度型LCD 显示。 6、量程比宽。 7、一节锂电池供电可确保使用6+1年以上。 8、具备光电接口，采用红外抄表工具可以实现现场抄表。 9、具备M-BUS 通信接口。 三、使用方法 1、本表采用菜单操作方式对表的工作状态及显示内容按需要可通过面板上的操作按键进行操作。 操作与显示由4份菜单组成 表示长按按键大于2S 框内分别为 1) 主菜单 即正常使用时的状况 2) 故障菜单【E 】 3) 信息菜单【I 】 4) 检测程序【F 】 平时待机状态时显示屏关闭，短按按键可以将电路板从待机状态唤醒，显示屏亮，进入主菜单，主菜单直接用累积流量表示。如上图所示，长按可切换菜单目录，找到需要查看的菜单，再按照各菜单的操作图，查阅相关的内容。超过3分钟不操作，显示屏自动回到主菜单页面（检测菜单【F 】下各项除外），且屏幕关闭。 主菜单 xxxxx.xxx m 3 【E 】 【I 】 【F 】
主菜单 短按小于2秒 长按大于2秒 累积 流量 XXXXX.XXX m 3 流量 XX.XXX m 3/h ℃ XX.XX 累积 XXXXXXXX h DN20 X.X.X.X.X.XXX 瞬时流量 工作时间 规格 全屏显示 水温
故障显示操作菜单【E 】 短按小于2秒 长按大于2秒 空管故障 发生日期(年月日) 【E 】 1 XX.XX.XX 报警 2 XX.XX.XX 报警 电池故障 发生日期(年月日) 3 XX.XX.XX 报警 逆流故障 发生日期(年月日) 4 XX.XX.XX 报警 超量程 发生日期(年月日) 水温故障 发生日期(年月日) 累积 1 XXXXXXX h 故障累积时间 累积 2 XXXXXXX h 故障累积时间 累积 3 XXXXXXX h 故障累积时间 累积 4 XXXXXXX h 故障累积时间 累积 5 XXXXXXX h EE 故障 发生日期(年月日) 累积 6 XXXXXXX h 5 XX.XX.XX 报警 6 XX.XX.XX 报警 7 XX.XX.XX 报警 换能器故障 进水端 发生日期(年月日) 换能器故障 出水端 发生日期(年月日) 8 XX.XX.XX 报警 累积 7 XXXXXXX h 累积 8 XXXXXXX h
，、培训总结 1、水表 超声波水表严格安装GB/T 778-2007标准及JJG 162-200舲水水表检定规程制定，各种技术参数均满足标准要求。这是一种计量水流量的计量仪表，主要用于水费收取。 流量计多用于工业检测控制，水表多用于水的计量贸易；我公司水表产品T3-1也可用于工业控制。 超声波水表的工作原理： 在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算出流量。 超声波在水中的传播速度为1440m/s，这是一种能量高，有方向性，穿透力 强，稳定的光速。 时差原理：利用一对或多对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波。 精度保证：采用双声道，管道分层独立测量，充分满足流体力学，每秒1次为一个测量周期，每个周期两个声道分别采集128次数据。制作及出厂前，采用全自动标定台，多点标定折线系数标定，保证测量精度。满足标准高区5%,低 区2%。 2、水表的相关知识点 流量：流过水表的实际水体积与该体积流过水表的所用时间之商。 最大允许误差：GB/T778的本部分允许的水表相对示值误差的极限值。（误差计算公式：（实际值-测量值）/实际值） 始动流量：水表开始计量的最小流量（精度不做要求）。 最小流量Q1 :要求水表示值在符合最大允许误差的的最低流量。
分界流量Q2: Q3与Q1之间，将流量划分为低区和高区，Q2: Q仁1 6。 常用流量Q3:额定工作条件下的最大流量。在此流量下水表应能正常工作，而且误差符合最大允许要求。 过载流量Q4：短时间内应该符合国标要求，随后在额定条件下能保持计量特性的最大流量。Q4：Q3=1 5。 量程比：最大测量范围和最小测量范围之比，用字母R表示，R=Q3: 1。量程比越大，水表的测量范围就越大。按照GB/T778-2007,量程比是确 定的，通常，水表的量程比为 5、 0、 3、 0、 0、 0、 0。 最大允许误差：低区的最大允许误差 水温在额定工作条件规定范围以内时，以最小流量（Q1）与分界流量 （Q2） （不包括Q2）之间的流量排出的体积的最大允许误差为士5%
目录 1.TOFD检测技术定义及原理 2.TOFD检测技术基本知识 3.TOFD检测技术的盲区 4.TOFD检测技术的特点 5.几种典型缺陷TOFD图谱 1TOFD检测定义及基本原理 1.1TOFD检测的定义 衍射时差法超声检测（Time of Flight Diffraction ，英文缩写 TOFD）是依靠超声波与被检对象中的缺陷尖端或端部相互作用后发出的衍射信号来检测缺陷并对缺陷进行定位、定量的一种无损检测技术。 概况起来说 TOFD技术就是一种基于衍射信号实施检测的技术。 1.2 TOFD检测原理 1.2.1 衍射现象 衍射现象：是指波在传播过程中，遇到障碍物，能够绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象。 缺陷端点衍射现象可以用惠更斯－菲涅尔原理解释： 惠更斯提出，介质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。 菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点的振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加。
图1.1缺陷端部衍射信号的解释 由图示可见:当一束超声波入射到裂纹缺陷时： （1）在裂纹中部会形成有一定方向的反射波，其方向满足反射定律。反射波接近平面波，其波阵面是由众多子波源反射波叠加构成; （2）在裂纹尖端则没有叠加现象发生。这种裂纹尖端以独立的子波源发射的超声波即为衍射波。 衍射波的重要特点： 1.没有明显的方向性； 2.衍射波强度很弱。 衍射波的这两个特点都是由于裂纹尖端独立发射超声波没有波的叠加所造成的 图1.2裂纹端点衍射波特点 裂纹的上下端点都可以产生衍射波。 衍射波信号比反射波信号弱得多，且向空间的各个方向传播，即没有明显的指向性。
超声波衍射时差法(TOFD）技术分析 发表时间：2018-12-05T16:15:38.130Z 来源：《科技新时代》2018年10期作者：陈拥军 [导读] 针对超声波衍射时差法，在介绍其原理、优缺点的基础上，对其与A型脉冲检测和射线探测两种方法进行了对比，明确其优势和特点所在，为其推广应用提供参考依据。 （中国能建葛洲坝集团机电建设有限公司，湖北宜昌 443000） 摘要：针对超声波衍射时差法，在介绍其原理、优缺点的基础上，对其与A型脉冲检测和射线探测两种方法进行了对比，明确其优势和特点所在，为其推广应用提供参考依据。 关键词：超声波衍射时差法；A型脉冲检测；射线探测 超声波衍射时差法（Time of Flight Diffraction，TOFD）最初主要用于缺陷测高，经过多年的完善和发展，正不断取代传统检测技术，在缩短检测周期的同时保证检测结果准确性。 1超声波衍射时差法基本原理 在不具连续性缺陷尖端进行波形转换，如果完成转换后有衍射波，则该衍射波将覆盖很大范围，继而对缺陷进行检测。通过对飞越时间的准确记录，就能对缺陷高度进行测量，进而实现缺陷的准确定量，对于缺陷的尺寸，一般被定义成信号对应的飞越时间差，但要注意的是信号波幅和缺陷的定量之间没有关系。 该技术由两部分组成，分别为超声波发射（存在一定间隔距离）和超声波接收探头，因缺陷尖端所在方向波往往较弱，所以常用角度相对较大的探头在一定长度范围内进行一次扫查，这一过程中应做到精确，声波脉冲被探头接收以后，将得到侧向波，该侧向波于工件表面以下进行传播。若未检出缺陷，则底面回波将被探头接收[1]。 以上信号均可作为参考，若未考虑变形波，则缺陷信号处在这两个信号之间。当两个信号均已到达以后，发射与接收探头之间的路径会有明显的长短，一般是指缺陷下尖端对应的信号。对缺陷而言，其高度是指尖端之间的飞越时间，需要注意的是，侧向波和底面回波，两者相位完全相反，同时上、下尖端相位同样完全相反。 2超声波衍射时差法优缺点 2.1优点 （1）在一次扫查中可覆盖所有区域，但不包括处在上、下表面的盲区，能有效提高检测作业速度。 （2）具有良好的可靠性，对中部缺陷有着极高的检出率。 （3）可发现多种不同的缺陷，而且对其走向往往不敏感。 （4）能识别出不断向表面方向延伸的各类缺陷。 （5）通过对D-扫描成像的合理应用，能使对缺陷作出的判断更为直观。 （6）能对缺陷在垂直方向上进行准确定位与定量，最大精度误差在1mm以内。 （7）若与脉冲反射法等充分结合，能进一步保证检测效果，具有100%的覆盖率。 2.2缺点 （1）在近表面等位置有盲区，对这一区域进行检测时，可靠性相对较低。 （2）缺陷的定性难度相对较大。 （3）当对图像进行判断时，要具备丰富的相关经验。 （4）对于横向缺陷，有很大的检出难度。 （5）当对粗晶材料进行检测时，会有很大的检出难度。 （6）当工件有很复杂的形状时，测量难度相对较大。 （7）对噪声比较敏感，夸大了一些等良性缺陷，如 气孔，冷夹层，内部未熔合。 3超声波衍射时差法和其它方法的对比 3.1和A型脉冲检测之间的对比 （1）可靠性 因超声波衍射时差法借助衍射波完成检测，衍射信号不会收到声束这一因素的影响，所有方向上的缺陷均可被检出，进而有着良好的检出率。国外作出的相关试验可得：当采用手工UT时，检出率为50%-70%；当采用TOFD时，检出率为70%-90%；当采用机械扫查和TOFD相结合的方法时，检出率为80%-95%。从中可以看出，这种方法与传统方法相比，具有更高的可靠性[2]。 （2）定量精度 借助TOFD法对缺陷进行定量，其精度远比传统手工方法高。通常情况下，对于面积型与线性缺陷，该方法的定量误差不会超过 1mm。而对于裂纹缺陷及未熔合缺陷，该方法的测量误差仅仅为零点几毫米。 （3）检测操作 目前应用频率最高的非平行扫查，通常仅需一人就能完成，检测探头仅需在焊缝的两侧进行移动，无需进行锯齿扫查，具有很高的检测效率，而且操作成本还很低。 （4）信息处理 在整套检测系统中，装有自动扫查单元，可准确定位探头和缺陷之间的相对位置，经处理的信号能得到图像，而且其信息量直接显示远大于传统A扫描。对于A型显示，屏幕上中可以显示出一条信号，但采用TOFD得出的图像，是多个信号的整合结果。相较于A型信号及其波形显示，信息量更大的TOFD图象对缺陷准确识别与分析更有利。 （5）检测系统 目前常用的以TOFD为核心的检测系统，均为性能强劲的数字化仪器，能克服传统探伤仪器在信号记录方面的劣势，除了能对信号进行全过程记录，还能长时间的保存数据，并且还能以较高的速度处理大量信号。
CUTE series Ultrasonic water meter: Product Description: The ultrasonic watr meter is used to measure, storage and display the water flow, the wireless remote series with special function to adapt the complicated install surroundings and battery power supply, the advantage is data transimission stable, long communication distance and strong signal penetration, expand the wireless application. Product Features： 1. Comply with the national standard GB/T 778 , verification regulation 《JJG162-2009 cold water meter》and industrial standard《CJ/T 434-2013 ultrasonic water meter》; 2. The leading super high range ratio 400:1; 3. No moving parts, no attrition, the life cycle will not affect the measuring accuracy; 4. Low power consumption, the standby current less than 6uA; 5. With the MBUS, infrared and wireless interface, can be controlled by remote transmission and management; 6. Protection level: IP68，suitable for the indoor humid environment; 7. Can be horizonal and vertical installation easily