早在1928 年德国人就研制成功了世界上第一台超声波流量计，并取得了专利，至今超声波流量计已有80余年历史。但是在之前的几十年中超声波流量计的发展一直比较缓慢，直到20 世纪七十年代以后，由于集成电路和锁相环路技术的发展，使超声波流量计得以克服以前的精确度不高、响应慢、稳定性与可靠性差等致命弱点，并从实验室走入了实用领域。特别是近20 年来，随着石油和天然气工业的强势增长，以及行业对于现场设备技术的逐步接受，超声波流量计正在快速发展成为流量测量领域，尤其是计量碳氢化合物的首选。

测量原理

超声波流量计从测量原理上分主要有时差法和多普勒法两种。

多普勒法又称多普勒效应或多普勒频移，即某一个声源（超声波）发出声波被另一个接收体接收并反射，该声源相对接收体是移动的，接收体接收到声波频率将会与声源发射频率有差异。两个物体之间相对距离是减少的，接收频率会增加；两个物体之间相对距离是增加的，则接收频率就减小。这样的频率差异与流速是相关的。

而时差法的原理则更加简单易懂一些。与人们划船或者游泳类似，超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。顺流而下的超声波的传播速度大于逆流而上的传播速度。

只要分别测量出超声波顺流和逆流的传播时间，就可以依据下面的公式得到该路径上的瞬时流速。这样，介质流量则可以通过流速、管道截面积等求得。

Vm＝L（TB→A - TA→B）/（2×COSa ×TB（A×TA→B）

为实现流量（流速）测量，首先需要有一个发射超声波的换能器（俗称超声波探头），通常采用石英等材料制成的压电元件作为换能器。发射超声波时是利用负压电效应，即利用高频电脉冲的作用，使压电晶体高频振动，从而发出脉冲变化的高频压力波（即超声波）。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由装在管道对面的接收换能器接收。接收换能器则利用正压电效应，将高频压力波又转换成高频的电脉冲信号。可以轮流交替地利用同一个换能器及发射高频、短时的脉冲压力波，又用来接收对面换能器发来的脉冲压力波。

可以用一组换能器兼做超声波的收、发用。

由于人耳听到声音的上限频率是20 KHz，而此种流量计所收、发的压力波的频率是0.5~10 MHz （典型频率是1 MHz），属于超声波范畴，超声波流量计因此得名。

技术优势

尽管超声波流量测量技术的出现已经有80多年的历史，但前几十年其应用范围非常小。直到近几年，用户才逐渐认识到超声波流量计的众多优点，包括高精确度、无阻碍测量以及较低的总体拥有成本等。在未来的几十年，超声波流量计将逐渐成为化工行业、石化行业的主流计量工具，带来新的测量标准。

相比涡轮流量计、差压流量计、容积式流量计等传统计量器具，超声波流量计有如下优势：

计量精度高

过程控制级的液体超声波流量计通常可以达到0.5%左右的精度，气体超声波则为1%~2%精度，而贸易计量级的液体超声波流量计更可达到0.15%，气体为0.5%的高精度。

无阻流的测量

超声波流量计中没有可动部件或者节流元件，这带来两个好处，一是不会产生压损，不会阻挡或者减慢管道中气体或者液体的流动，有助于减少因压损而产生的能耗损失；二是不会产生磨损，因此几乎不需要维修，也不需要重新标定。

较低的总体拥有成本

相比涡轮流量计等传统计量器具，超声波流量计的采购成本可能稍高，但是在安装、运行、校验和维护上有很多优势。超声波流量计比较轻巧且无需任何辅助设备，因此安装费用是最低的。由于不会产生压损，能耗损失降至最低，运行费用是最优化的。经过一段时间的使用后，机械式仪表由于磨损而产生精度上的偏差需要重新标定，或者需要人工去维护清理，这是非常费时费力的工作，而超声波流量计没有磨损，根本不需重新校验或清理维护。

安装灵活

对于客户已经安装完成的管段，外夹式超声波就体现出其优势来。虽然精度上相比管段式的超声波流量计略差一些，但是其不断流安装的优点，适用管段材质的广泛性以及较低的采购成本使其成为客户的首选。

典型应用

油气长输管道泄漏检测

长输管道是指产地、储存库和使用单位间的用于输送商品介质（油、气等），并跨省、市，穿、跨越江河、道路等，中间有加压泵站的长距离（一般大于50km）管道。全球贸易与大市场的形成与发展，对石油天然气运输也提出了越来越高的要求，如何满足国内甚至国际供需双方的要求，又保证安全、经济、快速地输送，是长输管道运输业面临的重要问题。使用流量计的监护运输就是保障油气长距离运输的手段之一。每个泵站都配有流量计，通过实施监控和对比各个站点的参数，一旦发现任何异常（如泄漏等），就可知道异常发生的管段，进行及时的处理。而超声波流量计以其无压损、低维护的特点已经逐渐取代传统的机械式仪表，成为长输管线泄漏检测的首选仪表。

科隆公司的三声道超声波流量计UFM 3030以其稳定可靠的品质已经在中石油、中石化的几十条原油和成品油长输管道中有了几百台的应用业绩，其中包括乌鲁木齐—兰州原油管线，天津原油管线，甬沪宁进口原油管线，金嘉湖成品油管线等。鉴于科隆的超声波流量计在上述管线中的出色应用，科隆公司被评为中石油西部管线的优秀供应商。

外夹式超声波流量计测量液态硫磺

液硫在很多行业中会用到，比如硫酸厂，肥料厂。液硫是制造磷酸盐肥料（磷肥）的很重要的成分之一。硫磺同样也用于橡胶制造，染料颜料制造，电池制造，医药化妆品日用品制造和高分子聚合物产业。

液硫在不同温度有不同的存在形式。在室温下是亮黄色的晶体。96℃以上开始熔化，119℃时完全熔化，在150℃以上粘度开始增加。为了保持液硫在管道中的流动性，硫磺一般在140℃的温度下运输，并且温度需要维持稳定。

由于液硫几乎没有导电性，所以电磁流量计并不适合用于该工况。孔板流量计和其他机械式仪表由于中间有阻流体容易阻塞管道，所以也不是一个理想的仪表。机械仪表需要经常维护，甚至4~6月更换一次，而更换孔板流量计也不是一件简单的事情，因为一旦管道变冷，液硫凝结，重新再次流动会很困难。

科隆的外夹式超声波流量计OPTISONIC6300 XT可适用温度范围达200℃，覆盖了液硫运输时需要的温度范围。OPTISONIC 6300 XT可以不断流安装，减少潜在泄漏的可能，不会阻塞管道。安装时只需安装人员做好保护工作，就无需将管道降温，从而减少客户的损失。

超声波流量计的高温高压应用

在太阳能发电厂的工艺中需要用到多种导热油（DOW THERM A，Therminol VP-1等）以及熔盐，这些介质的温度高达300~500℃，科隆的高温型超声波流量计为测量这种介质提供了很好的解决方案。在西班牙、意大利、埃及等十几个已运行或在建的太阳能发电厂中共计选用了上百台科隆UFM 530 HT型的超声波流量计，口径范围从DN25到DN700不等。

除了在太阳能发电厂中的应用，多个国际著名的化工集团，如壳牌、BP化学、BASF、Bayer等，在测量高温有机物时也均选用了科隆的超声波流量计。

而在油气行业中，油田的注水开采及回注水，海上钻井平台的防冻液乙二醇的注入及原油计量，原油的卸载等场合往往是高压的应用，压力从900lb到2500lb不等。科隆的高压超声波流量计UFM 3030和UFM 530 HP可以满足高达2500lb的过程压力要求，特殊产品甚至可以满足4500lb的压力等级。另外在海上采气平台的井口计量和LNG（液化天然气）的气化应用中通常需要高精度的天然气计量，要求精度在0.5%以内，并且压力普遍比较高，一般从ANSI600lb到2500lb。随着气体超声波流量计相对于传统机械式流量仪表的优点被越来越多的用户所认可，目前超声波流量计已经广泛应用在这些高压场合。

天然气长输管线

天然气从气田开采到进入管道输送，再到分输站，最后交付用户使用，这是一个连续不间断的过程，而且通常管输天然气的输量非常大，例如我国西气东输天然气管线09年的计划输送量就达到159亿m3，以后可能达到300亿m3的年输送量。庞大的天然气流量，加上全球能源价格的日益高涨，贸易交接计量仪表的准确性对于用户来说就显得尤为重要。

气体超声波流量计的高精度、高稳定性以及适合大口径、大流量、高压等特性使其在近几年迅速成为天然气长输管线的主要计量仪表。科隆公司生产的新一代六声道气体超声波流量计ALTOSONIC V12具有世界先进水平，并取得OIML等国际权威计量组织的最高等级贸易交接认证，开始在国、内外天然气长输管线中发挥越来越重要的作用。

总结

超声波流量计相比传统的机械式流量计具有很多独特的优点，如无压损、高精度、低维护量等。其适用范围广，一些高温高压的场合也可适用。如今超声波流量计的测量原理和优点逐渐被最终用户所认可。由于超声波流量计更适合应用于一些非导电介质的测量，因此它会成为化工、石化行业的新的计量标准。