应用超声波原理测量流量始于1928年，而进入实用阶段约在20世纪70年代，但仍限于测量液体。用于测量气体流量约在90年代，至今不到10年。由于气体超声波流量计具有许多传统流量计（孔板、涡轮、涡街……等）无法相比的突出优点（见表1），在天然气流量计量领域中，它犹如一颗耀眼的新星，备受国内外工程技术界的关注。2000年6月在巴西召开的“FOLMEKO2000第十届流量测量国际学术讨论会”上，重点讨论了超声波流量计，该方面的论文数占论文总数的29.4%，接近1/3；而历届讨论最多的有关差压式的论文数仅占17.6%，不再成为热点。从发展趋势来看，由于超声波流量计具有精确度高、性能稳定可靠、量程比大、管道中无检测件等特点，在工程应用及国际贸易中，大有后来居上取代传统流量仪表的趋势。目前，美国、英国、荷兰、德国、加拿大、俄罗斯等10余个国家已批准它为天然气贸易输送系统的计量仪表。据了解，我国也正对此进行技术谁，制定了标准。仅以我国四大世纪工程之一的西气东输工程为例，经多次流量计量论证，已将气体超声波流量计作为流量计量的首选仪表。据估算，该项目一期工程对检测控制仪表的投资将达到100亿元左右。流量计量是整个工程中重要的检测参数，初步估计，管道为DN150~1000的大中型天然气输配计量站约数百个，DN100以下的流量计量所需仪表将以万计，流量计量投资约10亿元左右。这个巨大的市场对于仪表生产厂商来说，真是千载难逢！
表1 流量计的性能比较
项目
孔板
涡街
涡轮
超声波
精确度（%）
±1
±1
±1
±0.5
量程比
3：1
30:1
20:1
300:1
管径范围（mm）
50~800
50~300
10~500
75~1600
压损
很大
较小
较小
无
对涡流的敏感
很敏感
很敏感
较敏感
不敏感
对流速分布的敏感
很敏感
很敏感
较敏感
不敏感
测脉动流
不适合
不适合
不适合
适合
测双向流
不能
不能
不能
可以
测湿气体
不能
不能
不能
可以
清洗管路
不能
不能
不能
可以
二 原理
1.流速测量
目前用超声波法来测气体流量，时差法几乎是唯一的选择。
其测量原理如图1所示，A、B是安装在管道上的两个换能器（Transducer）,既可发射又可接受超声波。A牌上游，B牌下游，两者轴向距离为X，声道长度为L。从A向B发出的超声波顺流向到达B所需时间：
tab=L/(C+Vmcosθ)
式中 C——声速
Vm——声道上的平均流速
θ——换能器安装的倾角（声道角度）
B接受信号后，向A返回的超声波信号为逆流向，所需时间为：
tab=L/(C-Vmcosθ)
再考虑cos?=X/L，两式相减化简可得
从式（1）可知，用时差法测流体的轴向速度与声速C无关，这就大大简化了测量电路。这个方法早为人们所知，但实际应用到测量气体流量当时还有困难。近几年来由于集成电路的飞速发展，可以精确测量极其微小的时间差（达10-9~10-12s），才使其得以进入实用阶段。目前对时差的处理电路有PLL（锁向环路）、TLL（时间锁定环路）及LEFM（波前沿时间差法）等。
2.流量测量
流量应为管道横截面积A乘以流过管道横截面的流体流速V，它与上述声道L上的平均流速Vm并不相等，可用系数K予以修正，K=Vm/V。系数K取决于流体的雷诺数Re，在管道内充分发展的紊流条件下
K=1.119-0.011×logRe (2)
当流速V变化10倍时，K值将变化1%，在进行精确测量时，必须用K对流量值进行动态修正。
当管道的直管段不够长时，管内的流速分布不能形成充分发展的紊流，这将降低许多流量仪表测量的精确度。而超声波流量计可采取多声道的办法（可采用8个换能器、4个声道以测量整个截面的流速，如图（2）以减少受到的影响，帮仍可保持高达±0.5%~±1%的精确度。
三 特点
时差式气体超声波流量计现已成为当今气体流量（特别是高压、大口径）计量的首选仪表，它的特点如下：
（1）适用于大口径管道测量，口径范围75~1200mm，最大口径可达1600mm；
（2）精确度一般优于±0.5%，重复性可达±0.1%；
（3）量程比很宽，可达300：1以上；
（4）所需上下游直管段较短，上游为10D，下游为3D；
（5）无可动部件，使用安全、可靠；
（6）换能器轻巧，所占空间小，安装维护方便；
（7）无压损，为节能产品，可降低输气管道增压费用；
（8）可进行双向流量测量；
（9）不测质量流量；
（10）不受涡流及横截面流速分布变化的影响；
（11）可精确测量脉动流；
（12）不受温度、压力、气体组分变化的影响；
（13）不受沉淀物、湿气的影响；
（14）可在不断流、带压状态下更换换能器；
（15）具有自检、自诊断功能；
（16）管内无阻流件，可允许清洗球自由通过管道和流量计，清洗容易。
四 标定
虽然美国燃气协会的AGA9号报告认为采用超声波流量计测量天然气允许误差为±0.7%（口径小于300mm可允许±1%），按目前国外制造商的水平，不进行标定基本上都可以达到这个精确度要求。但不少天然气供应商在贸易计量时，为减少损失，仍希望通过标定来提高仪表的精确度。据Edgar估计，在DN400的管道中，输送6Mpa压力、750M3/h流量的天然气，如流量计误差为了0.7%，天然气价格按7美元/100M3计，那么每年将少收180万美元。而标定一台口径400mm的超声流量计，每次仅需约3~4万美元，几个工作日就可回收标定费用。
标定方式可以有实流标定及干标定两种方式。
1.实流标定
实践证明，影响超声波流量精确度的因素很多，在实验室条件下进行实流标定是提高流量计精确度行之有效的方法。实流标定可采取基准法及比对法。基准法是通过基本的物理量作为流量的基准备来标定被校流量计，如Mt法；而比对法则是将一只精确度较高的流量计作为标准表，与被校仪表串联在同一管道上，在相同的流量下，比对两只流量计的差值，然后用流量系数来修正被校仪表的流量值，这种方法较基准法实施起来较为简便，但精确度低于基准法。
以上两种标定方法，在我国成都华阳天然气流量计量站均可进行。
表2 3家公司的超声波流量计性能
公司名称
Instromet
Controlotron
DaNIel
口径（mm）
100~1600
50~1200
150~1050
流速范围（m/s）
-30~+30
-46~+46
-0.3~+35
量程比
300：1
300﹡：1
200：1
声道
1~6
1~4
4
精确度（%）
≤±0.5
≤±0.5
≤±0.5
重复性
≤±5mm/s
≤±0.1%
≤±0.2%
压力范围（Mpa）
5~45
0~42
1~18
温度范围（℃）
-20~+60﹡
-20~232
-20~+85﹡
模拟输入（mA）
0~20
4~20
4~20
模拟输出
0~20mA
0~10V，4~20 mA
4~20 mA
分辨力（mm/s）
≤1
≤3
30
数据接口
RS-485/RS-232
RS-232 /RS-485
RS-485 /RS-232
响应时间（s）
1
0.2~60
推荐上游直管长度（D）
＞10
＞10
＞10
推荐下游直管长度（D）
3
3
3
安全防爆标志
EExidIIT6
EExidIIT4
功耗（W）
≤7
≤15
电源
DC 24V、AC 110、230V
DC 9~36V、AC 90~230V
DC 20~28V、AC 115、230V±10
防护等级
IP65
IP65
IP65
2.干标定
实流标定较适用于DN300MM以下口径的流量计，而对于较大口径的流量计进行实流标定不仅拆装运输很繁琐，费用也过于昂贵，而且实际上未必有这么大的标定装置。鉴于过去几十年来对孔板流量计实行干标，取得了不少经验且剖有成效，而超声流量计也无法转动部件，可以借鉴孔板的干标。其方法如下。
(1)几何尺寸测定：精密测量流量计壳体内部几何尺寸，是干标法的基础；
(2)功能测试：将换能器装入主体接入电路，对流量计功能进行测试，确保其工作稳定。
(3)组态调整：测试调整声道角度和声程。
(4)零流量检测：零流量时，流量计的时差应等于零，管道口径愈大，零流量漂移应愈小。
(5)声速计算：通过计算机和相关软件，计算不同组分下气体的声速。
(6)声程标定：取两种不同压力下纯气体（如纯氮）的声程，取其平均值。
五 生产与应用
近几年，由于微电子，数字技术的进步，超声波流量计的发展势头异常迅猛。2000年在北京举办的“第十一届多国仪器仪表展览会（MICONEX）”上，超声波流量计的参展商就有10多家，但大多只能测液体流量。由于超声波通过气体的阻力(即气阻)要比通过液体和固体大的多，因此，对测量电路的要求更高。目前，在国际上能将超声波技术成功应用于测气体流量，并推出产品且占有一定市场的，估计不超过10家。处于领先地位的有荷兰的Instromet公司，美国的Controlotron公司，Daniel公司，德国的Krohne公司。前三个公司都已进入具有巨大潜力的我国市场，角逐激烈。我国在20多年以前，有科学院合肥分院与四川石油设计院联合研制气体超声波流量计，在1986年曾进行了样机试验；本溪无线电一厂也曾开发推出了CQJ-IA型气体超声波流量计，但至今还未成功地应用于现场。表2所列为已进入我国市场的3家国外公司超声波流量计的技术性能（所列数据仅供参考，如有改变，以厂家所报最新数据为准）。
六 小结
如上所述，超声波流量计以其优异的技术性能可用于天然气计量，当前，在我国的西气东输，川汉输气工程以及四川天然气计量改造等项目中，选用它作为计量仪表已成事实。但业内专家认为，在选用上还应注意以下问题：
（1）气体超声波流量计是近年来推出的新型仪表，对使用中会出现的问题，还需要一个熟悉过程。选用不宜过热，应采取稳步，谨慎的态度。
（2）目前气体超声波流量计均来自国外，且价格昂贵。面对我国巨大的市场，国内仪表工程界应尽早国产化，不可过分依赖国外。这不仅是外汇流失问题，对今后使用中的维修，配件更换更有好处。
（3）应根据使用目的，合理选用流量仪表，不可盲目追求高指标。如干线的流量不可作为贸易的依据，仅供内部产量参考，则可选用价格便宜，安装方便但精确度较差的均速流量计；而在较小的口径（如小于DN100），超声波的技术优势并不突出，价格仍较贵，则可选用价格较低，精确度适中的涡轮流量计，或低速性能较好的旋进式漩涡流量计。
