【《超声波流量计的发展与现状研究国内外文献综述》4500字】

超声波流量计的发展与现状研究国内外文献综述（1）超声波流量计的发展历程流量测量的应用和发展历史十分久远，最早可回溯到距今3000多年的古埃及，由堰法测量尼罗河水流量的重大工程开始。随着工业革命带来的工业生产技术的突破，使流量测量技术得到改革，新的测量方法和工具逐渐出现在市场上,如十七世纪研究问世的压差法测流量，十八世纪开始出现的堰法、文丘管、涡轮式、容积式等原理的流量计。到二十世纪世界工业极速发展，极大增加了对流量测量的需求，已有测量装置无法满足发展需要，因此促进了流量仪表的飞速发展。全球科学技术快速也得到了发展，迅猛发展的计算机技术、数字信号技术、集成技术、微电子等技术为流量计的革新提供了强大的推动力，使得测量仪器逐渐发展为智能、精密、小型化[2]。如今，市场上已出现超百种类型的流量计，为工业生产过程流量数据检测提供有力的支持。超声波流量计是依据流动介质传递的流速信息，超声波能够搭载信息在流动介质中传播设计的。据资料记载，世界上第一台超声波流量计是依据时差法测量流量的，1928年在德国诞生，但由于当时技术水平有限，测量精度差是一个很难攻破的技术难关。到五十年代，基于声循环法的MAXSON流量计、折射式换能器相继问世，为研究多声道、外夹式类型的超声波流量计的研究提供了基础，同时标志着超声波流量计从研究走向使用的跨越。随着苏联研究人员对管道内流体流速分布规律的研究发现，并且归纳出管道流体不同分布状态的数学模型，不仅为之后不同类型超声波流量计的研究提供了关键的理论基础，还在一定程度上提高了流量计的测量精度。从六十年代开始，对超声波流量计的研究展现出迅猛发展的趋势，相继问世了多种类型的超声波流量计，如适用于两相流的多普勒、高精度的相关法等类型[3]。随后，集成电路技术推动电子电路向微型、智能的方向演化，七十年代起，集成电路芯片被大规模应用到测量仪表中，实现了流量计向智能化、精准化方向的跨越，同时提高了数据处理的速度，提供了数据交互的便利[5]。到现阶段，超声波流量计已经成为最受市场喜爱的流量计类型之一，虽然诞生较晚，研究历史不长，但结合了新的科技手段和芯片、集成度较高的电路结构以及不断更新的算法技术等，加快了其发展的脚步，同样技术革新背景下，从其他类型流量计中脱颖而出，开拓了流量测量的新时代。在流量测量仪表研究和应用领域，西方发达国家起步早，而且技术水平发展速度快，超声波流量计的技术水平不断走向成熟。九十年代，大量的西方国家研制的超声波流量计占领了全球近十分之一的流量计市场[4]。随着电路整体集成的微处理技术和DSP技术的进步，为超声波流量计提供了高度的电路集成和高速的数字处理能力，使其性能不断提升，愈加受到流量计市场的青睐。而相较于国外超声波流量测量技术的发展，我国的技术起步较晚，早期完全依赖进口才能满足生产需要，同时，我国对于超声波流量计的相关研究开始也较晚，导致如今我国超声波流量计技术发展虽处于不断地技术研究和产品研发中，但仍较同期西方发达国家落后。我国超声波流量计的研制从五十年代末期开始，六十年代到七十年代期间，通过仪表研究所、电子仪器厂、大学企业合作研制出了适用于大尺径管道、频差式、数字式三种类型的超声波流量计，但由于研制出的流量计存在测量效果不佳，稳定性差等问题，并没有的到推广。八十年代开始，国内开始探索其他技术研究制造新型超声波流量计[5]。到九十年代初，我国超声波流量测量仪表的年产总量仍不足千台。1994年我国颁布了“JJG198-94速度式流量计的国家计量检定规程”和“JJG0002-94参数流量计的部门计量检定规程”，规程的出版标志着我国超声波流量计的研究进入一个新的阶段[6]。特别是近十年来，全球科技水平快速提高，测量仪表通过应用这些技术也一定程度上提高了产品性能，使得超声波流量计越来越受到市场的关注，增大了它的应用领域。（2）超声波流量计的发展现状通过近百年的研究和发展，超声波流量计已经由最初的单一类型演变成了多种类、多应用，能够根据测量原理和实际应用不同进行分类和组合。根据测量原理进行分类的情况下，分为时差式、多普勒式、相位差法和相关法等类型，随着研究的进步，又出现了噪声法、互相关法等新的种类。其中，应用最广泛的是时差式和多普勒式，相关法也是比较有研究前景的类型。时差法是传播速度法的一种，利用超声波在流动液体中传播存在顺流和逆流的时间差，直接测得传播时间，计算时间差值，再根据公式得到流体介质的流动速度[7]。它适用很多工业测量场合，如石油井注水量、自来水流量、工业过程循环水用量、发电厂和热电厂消耗水量等，多测量管道管径较大的管道流体流量测量，以及明渠中流体流量测量。但由于其受温度、流体流速和特性等因素影响，使测量受到一定的干扰，会造成精确度下降[8]。超声波多普勒流量计是利用声学中的多普勒原理，通过得到超声波在流动介质中发射和接收信号的频率差值，从而计算流体介质流速和流量。适用于测量流体中含有固体颗粒或者气泡的情况，即两相流流量的测量，不适用于测量纯净液体介质，同时，它还应用于测量含有较强化学特性液体的流量，以及应用于医学领域测量血流量。多普勒流量计测量的流体介质需要满足具有一定浓度要求的并且具备反射超声波信号能力的固体颗粒或气泡，才能够达到测量需求，实现精确的测量[9]。相关法是通过借助流体自身长生的随机流动的噪声现象，测量流体经过管段一定距离内的首、尾两个截断面的时间间隔，从而计算流体流速和流量，而且这种测量方法在一定的技术手段下可以完成在线测量流体流速。它的影响精确度因素主要是流体的流场分布，除此之外不会受到流体中声速变化和流体介质特性的影响，所以就目前看来，这种类型的超声波流量计具有不错的发展前景，也逐渐受到了国内外研究人员的重视[10]。根据安装方式分类可分为插入式、外夹式和管段式三类，同时根据超声波接收换能器的数量又可分为单声路和多声路。通过各种类型的组合设计，一定程度上解决了单一类型流量计对于复杂测量环境不适用，造成测量误差的问题。国外超声波流量计研究的历史较我国更长远，技术更成熟，我国超声流量计发展后期因受到科技发展的推动和我国对于仪表装置类产品的相关政策的完善和开放，才得以逐步加快了我国自主研制的脚步，从早期的完全依赖国外产品逐步转型成为依靠自主研发，虽然过程缓慢，但是逐渐摆脱了技术依赖带来的各种不便和弊端。国内外现如今均已拥有一些技术成熟的品牌。国外超声波流量计以以美国的康创和丹尼尔、德国的科隆、日本的Yokogawa等品牌较为著名。目前我国流量仪表的生产企业已有上万家，根据相关调查得到每年汇总提供的全国的流量计生产目录可以知道，超声波式流量计的生产企业数目由最初流量仪表生产和自主研发基本稳定的情况下的不到20家，占全国总数占比仅有3%的情况，发展到现阶段进上万家成熟的流量仪表自主研发设计企业中，约有40%的生产企业能够提供较成熟的超声流量计的生产和具有自主研发特色的超声流量计产品，而且在今年所有流量测量仪表产品种类汇总中，超声波流量计产品较上一年的增长率最高，能够到达近70%，而且数据一直在不断的更新中，这就体现了国内对于流量仪表的产品性能和使用效率重视，对超声波流量计的选择倾向[11]。目前，汇总的国内较著名的超声波流量计品牌主要有sinomeasure联测仪表、meacon美控自动化、HC华控兴业、南控、YUEMA玥玛、dynaflox、YELLI工控、BEAYONUltrasonic、佳科恒业等。这其中，美控自动化有限公司是我国流量仪表行业内最顶尖的品牌，它拥有多种类型流量计生产技术和自主研发能力，有着国内一批技术能力成熟的自动化、计算机等各专业领域的技术人才[12]。美控对于超声波流量计的研发和生产也是国内最为成熟的一家高新技术企业，它的产品在国内众多超声波流量计品牌产品中异军突起，成为最受欢迎的超声波流量计品牌。与它并列的还有联测、华控兴业等品牌，它们的自主研发技术和产品生产技术都达到了一定的水平，同样很受流量仪表市场的青睐[13]。这说明我国如今已经拥有了超声流量仪表自主研发设计的能力，并且规模也发展了起来，这个领域的人才也在不断的增多并投入到超声波流量计的研发当中，这足以说明我国超声波流量测量仪表行业在不断的发展前进，规模不断发展壮大，加速了行业的成熟演变。虽然我国超声波流量测量仪表生产研发已经达到一定的规模，但是整体上，就目前我国超声波流量计技术的研究和产品国际市场占额来看，依然是落后于国外的，所以仍需要不断进行深入学习和探索，增强对行业技术人才的培养，扩大研究和开发，提高了产品应用价值，才能为我国超声波流量计产品在国际市场中赢得更多的关注，打响抢占国际超声波流量测量仪表市场的战役。特别是在超声波多普勒流量计的研究方面，需要引起特别关注。目前国内市场上出现的超声波多普勒流量计基本上用于明渠流体的流量测量，最新的产品种类是发收一体单换能器测量。而在管道两相流流量测量中应用较少，产品的技术较为落后，且近20年内都没有好的研究成果出现。相反，时差式的超声波流量计前期却发展很快，虽研究势头已逐渐回落，但近年来仍不断有新的类型和应用算法出现。由此可见，超声波多普勒流量计技术的提高将是提高工业生产中流量计量准确度的一个新的突破和发展方向。参考文献[1]冉昭明.流量检测[M].天津:天津大学出版社，1990:55-82.[2]王志刚，王疏桐.工程设计中流量计的选型[J].自动化与仪器仪表，2017，(S1):106-108.[3]邹波涛，武斌，林波.超声波流量测量技术研究[J].科学技术创新，2021，(05):191-192.[4]董力纲，王红亮，刘涛.基于时差法的外夹式超声波流量检测系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2020，28(11):59-65.[5]蔡武昌.我国流量仪表的发展现状[J].上海计量测试，2007，(04):7-11.[6]武丽英.国内流量仪表制造业现状及其产品市场分析[J].中国仪器仪表，2010，(08):44-47.[7]牛睿，梁雪，廖学文.时差法超声波流量计的研究[J].山西科技，2012，27(3):89-91.[8]刘香坤.浅谈超声波测流技术在工程中的应用[J].中国水运，2019，(06):93-94.[9]廖华，李家顺.污水处理中的管道式流量计选型[J].绿色技术，2011，(07):93-95.[10]李华.管道流体流量的超声波测量方法研究[J].安徽科技，2020，(05):47-49.[11]罗凤琼.超声波流量计测量准确度的影响因素分析[J].仪器仪表标准化与计量，2018，(03):43-45.[12]纪纲，武因超.流量仪表的现状与发展趋势[J].自动化仪表，2020，41(07):1-6.[13]陈中华.超声波流量测量技术在企业中的实践应用[J].广东科技，2012，21(09):126-127.[14]P.Benes,K.Zehnula.NewDesignoftheTwo-phaseFlowmeters[J].SensorsandActuators,2000:220-225.[15]杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础[M].南京:南京大学出版社，2012:30-67.[16]邢键，孙晶华.水中声速的测量[J].物理实验，2011，31(01):34-35.[17]单淑娟，何敬涛，杨健，等.超声多普勒流量计的频移信号检测研究[J].科学技术创新，2020，(29):37-38.[18]罗守南，刘岩，冯冠平.连续波超声多普勒管道流量测量[J].仪表技术与传感器，2004，(12):44-46.[19]卢丹.固液两相流体的超声波多普勒流量计研究[D].河南理工大学，2008.[20]李昕，王子延.超声波多普勒流速测量方法的信息窗区域控制研究[J].西安交通大学学报，2001，35(05):455-458.[21]胡建恺，张谦琳.超声检测原理和方法[M].北京:中国科学技术大学出版社，1993:22-48.[22]李效贤.超声多普勒流量计在固液两相流测量中的应用[J].水泵技术，2000，(05):35-37.[23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