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1 組成及工作原理
HKU超聲波流量計由超聲波換能器、電子轉換線路、流量顯示累積系統(tǒng)3部分組成。超聲波換能器采用鑄鐵酸鉛壓電元件制作，利用壓電效應發(fā)射和接收聲波，通過檢測流體對超聲束（或超聲脈沖）的影響來測量流體體積流量。
HKU超聲波流量計的原理：傳遞的聲訊號穿過管道內流動的介質時，其傳遞速度受介質流動速度的影響。聲訊號在2個傳感器之間的傳遞時間取決于管道內介質的流速。一個聲訊號通過上游的時間要比它通過下游的時間長。這個時間差值dt與管道內介質的流速vf成比例。如圖1所示。
目前所使用的HKU超聲波流量計系統(tǒng)主要有以下兩種工作原理：
1.1 速度法[1]
管道內介質流速vf按以下公式求得：
vf=（L/2cosβ）[dt/（t1t2）] （1）
式中：t1，t2分別代表聲訊號通過上游與下游時間；dt為聲訊號通過上游與下游的時間差；L為聲訊號通過路徑長度；β為代表管軸線與L之間角度。
1.2 環(huán)嗚系統(tǒng)法（Sing-around System）[2]
如果在兩個不同的方向上比較兩條脈沖鏈的頻率差，這個脈沖差與流體速度也成比例。
這是流速的基頻表示法，與流體中的聲速無關。
以上兩種對流體流速的算法的理論基礎是相同的，其流體流速vf的理論值也是基本相同的。利用不同的二次儀表設置不同的流量系數(shù)均可顯示其容積流量。
2 性能特點[3]
（1）適用于各種管徑流量的高精度計量，其流量和管徑越大，精確度越高；
（2）測量范圍（量程比）很寬，一般為1:40~1:160，最大能達到1:300；
（3）重復性很高，能實現(xiàn)雙向流量計量；
（4）流量計本體無壓力損失，可精確測量脈動流；
（5）節(jié)能，可大大降低長輸管道增壓費用；
（6）不受沉積物或濕氣的影響，無可動部件；
（7）所需上下游直管段較短（上游為10D，下游為3D）；
（8）無磨損，示值無零點漂移現(xiàn)象，偏移誤差??；
（9）動態(tài)計量范圍寬；
（10）不受渦流和流速剖面變化的影響；
（11）不受壓力、溫度、分子量、氣體組分變化的影響；
（12）不需要重復標定。
3 流量計性能對比
表1為流量計性能對比表。
4 應用
4.1 計量流體體積流量
作為流量計使用時，其流量范圍是很寬的，可以雙向計量，對于黏度較高、甚至小流量的流體亦可計量。同時，它的維修費用較低。它沒有機械零件處于管線之中，不受其他介質影響，不需要調整和控制，也不需停產操作。但是HKU超聲波流量計的精度依賴于介質特性。其補償技術是必須的，為了簡化補償系數(shù)f，必須在管線上游保留10倍直徑的直管段和在下游保留5倍直徑的直管段。對于在一定安裝條件和流體特性條件下可確定一個實際的流量系數(shù)進行補償。
4.2 標定系統(tǒng)
超聲波氣體流量計高精度的優(yōu)點可以取代音速噴嘴，作為新的標定系統(tǒng)。雖然一套國外音速噴嘴標定系統(tǒng)的價格不超過200萬美元，但是在線標定孔板系統(tǒng)時，需要專門的技術人員操作，操作非常繁瑣，在線標定孔板系統(tǒng)時所造成的壓損是無法克服的難題。使用Instromet公司的Q.Sonic型HKU超聲波流量計，投資大大降低，可以由一般技術人員輕松地進行無壓損全量程的在線連續(xù)標定。
4.3 泄漏檢測
在正常情況下輸送管道的入口流量應完全等于該管道出口流量。如果不等，那么泄漏現(xiàn)象就一定存在。如果兩計量儀表之間的計量讀數(shù)改變并超過了額定精度，就可發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。計量儀表越精確，檢測泄漏量也越準確。但是對于大口徑管道檢測時，由于有溫度和壓力的影響，其溫度和壓力變化的補償量也須考慮。如一個DN1000的管線，其溫度變化10℃，容積也相應變化0.8%。一個DN1000，長100km的管線在0.1MPa壓力變化下能引起10m3的容積變化[7]。鑒于這種情況，兩組流量計之間距離不得太長。其距離越短，越易檢測出泄漏情況。
5 計量標定
在計量站設計階段，還應注意流量計計量標定要求。HKU超聲波流量計的標定要求隨使用而變化。HKU超聲波流量計生產廠家能夠將規(guī)定的誤差范圍內的HKU超聲波流量計交付使用，不需要對流量計進行流量標定，而大部分交接使用要求的誤差范圍較小。
美國氣體協(xié)會第9號報告[8]提供了兩種不同的流量計標定方法，即零流量檢驗和流量標定。其中零流量檢驗測試檢查HKU超聲波流量計的瞬時計量系統(tǒng)。在這種測試中，關閉流量計兩端，用已知組分的氣體對流量計本身進行加壓。由于無氣流，流量計測量測試氣體的聲速，并將計量結果與已知的理論值進行比較。這種測試雖然證明了超聲波傳送器和電子計時電路的功能，卻不能證明HKU超聲波流量計在流動條件下的計量性能。零流量檢驗一般是在流量計最初進行流量標定和在現(xiàn)場安裝之前進行。也可以在現(xiàn)場安裝流量計之后定期進行。在流動條件下的流量計性能只能通過流量標定測試來檢驗。
6 誤差分析
6.1 噪聲影響
HKU超聲波流量計可能會受附近超聲波噪聲源的不利影響。這種噪聲源包括減少可聽見噪聲的無噪聲閥、壓力調節(jié)器和管道的其他重要節(jié)流部件。流量計生產廠家正在積極地解決這個問題。計量站設計人員應向生產廠家請求協(xié)助?，F(xiàn)場經驗表明：最好找出流量計上游潛在的噪聲源，在流量計和噪聲源之間設置彎頭會有助于減輕額外的超聲波噪聲。
6.2 流體清潔度影響
超聲波傳送器表面的堆積物（壓縮機油、冷凝液等）可能會使裝置不經過流體傳送超聲波脈沖。這可能會引起所謂的超聲波路徑“脫落”，路徑“脫落”會增加計量誤差。在測量氣體流量時，氣流中分散的液體也可能會減弱超聲波信號，并使流量計完全喪失工作能力。因此氣流的清潔度以及它對流量計內部的影響對流量計性能都是至關重要的[9]。
顆粒、鐵銹、水分都不會影響流量計的測量，但是，一般要求液體含量不要超過5%，否則流體就變成兩相流了，超出測量的范圍。當臟物在管壁上沉積了以后，發(fā)射到接收的聲程將變短。在這里，英斯卓美（Instromet）在處理上很巧妙，它依靠豐富的軟件系統(tǒng)，利用流體的溫度、壓力、組分等參數(shù)測得正確的聲速，并與顯示的聲速相比較，如果顯示的聲速改變了，就證明聲程改變了，因此檢測出了污物沉積，可報警提示。而對射式的流量計不具備這種功能，在第二代產品上利用雙反射可以實現(xiàn)上述功能。
