自2007年以來．我公司開展了超聲波流量計(jì)的研制工怍。2008年11月該儀器通過了地礦部鑒定，并已投產(chǎn)。
該儀表是采用超聲波多普勒原理設(shè)計(jì)而成。探頭貼在管壁外， 即可測量管肉瞬時測量?？捎糜跍y量鉆探生產(chǎn)中沖洗敞的進(jìn)人或返出置 下面作簡單地介紹。
一、多普勒流量計(jì)的原理
（一）基本原理
當(dāng)發(fā)射換能器向流體中發(fā)射出頻率fs的連續(xù)超聲波時，經(jīng)懸浮在流體中的散射體（如氣拖，懸浮粒子等）發(fā)生反射，反射回來的超聲波將產(chǎn)生多普勒頻移，并被接手換能器所接收。設(shè)收到的超聲波頻率為fs，則fs與fF服從多普勒關(guān)系。
  設(shè)散射體運(yùn)動速度為μ，超聲波束與粒子運(yùn)動速度夾角為θ，則cosθ可視為聲源運(yùn)動的速度（見圖1）。這樣多普勒頻移△f有如下關(guān)系：

式中，C為流體的聲速，在θ角與fF不變的情況下，共流速與聲速C及多普勒額移△f成正比．這里流體中的聲速C隨溫度的變化而變化，但只要把超聲波束通過聲楔后再入射剄流體中（如圖2所示）

根據(jù)新涅爾定律

（2）式中，C1為聲楔座聲速， 它比液體中聲速隨溫度變化要小一個數(shù)量級，可視為不變， 所以用這種方法測流速時， 流體的溫度和密度對流速的測量沒有影響， 即粒子流動速度正比于頻移△f（流體速度大體與粒子速度相同）。頻移△f是由發(fā)射和接收信號在接收晶體上混合產(chǎn)生拍頻而得到的。得到了△f，就知道了流速。

（二）探頭
探頭是向被測流體發(fā)射和接收超聲波的組件。超聲渡探頭，是超聲波流量計(jì)zui重要的一個部件，探頭的好壞直接影響到整機(jī)的工作，探頭由壓電晶體及聲楔座組成。
1．壓電晶體
探頭中是用壓電晶體做換能器的， 晶體兩邊的鍍銀層相當(dāng)于一個電容器（見圖3），如果在兩邊鍍銀層上加交變電場， 則晶體在交變電場的一個相中受到壓縮，而在接著而來的另一個相中則受到同樣大小的拉伸，晶體按交變電頻率的節(jié)拍進(jìn)行彈性振動，于是產(chǎn)生機(jī)械波（或稱聲波）印新謂逆壓電效應(yīng)，如果這個振動與晶體的固有頻率發(fā)生共振，則振幅zui大，電聲轉(zhuǎn)換效率zui高。反之，若以其固有額率的節(jié)拍向晶體施加以壓縮，拉伸之力， 則在共兩邊鍍銀層上產(chǎn)生對應(yīng)的交變電場，稱為正壓電效應(yīng)。
探頭中共設(shè)置了兩個壓電晶體，一個工作在正壓電效應(yīng)狀態(tài)， 起接收作用，一個工作在逆壓電效應(yīng)狀態(tài)，起發(fā)射作用。
晶體做厚度振動時， 固有頻率為：

同有頻率的選擇，主要依據(jù)被測介質(zhì)中固相顆粒粒度大小，因?yàn)?，?dāng)超聲波波長小于顆粒直徑時，會產(chǎn)生全反射，影響超聲波穿透深度，我們所測介質(zhì)為泥漿。

泥漿中的粘土顆粒多數(shù)在懸浮體范圈（0.1—2μm，少數(shù)在溶膠范圍（0.1-1.μm），泥漿是粘土-水的膠質(zhì)懸浮體系，具有膠體和懸浮體的性質(zhì)。

式中 λ—— 波長（m）；
     c—— 水聲速（m/s）;
     f——超聲竣頻率（Hz）。
因此，對于泥漿采說,λ>lmm。
2．聲楔座
  晶片在外電場作用下，發(fā)生超聲波，經(jīng)聲楔座穿透管壁的透射系數(shù)接近于1，并且進(jìn)入流體中的折射角θ應(yīng)盡量大，使聲波在流體中傳播時間長，這對提高精度有好處，同時要求晶片發(fā)出的縱波射到管壁時在管壁中只激發(fā)橫波（使縱波全反射）。這些要求與聲楔材料、形狀、安裝角度等有關(guān)。為了只在管壁中激發(fā)橫波，使縱波全反射，根據(jù)折射定律，至管壁的超聲波人射角應(yīng)滿足：

3．探頭的安裝注意事項(xiàng)
（1）被測管及耦合劑；被測管必須是能傳遞超聲波的，管道內(nèi)不能有襯里，并要求光滑。纖維、陶瓷不是聲波良導(dǎo)體，應(yīng)選用炭鋼、鋁、銅、硬塑料為好。為了使換能器與聲楔照和被測管壁有效地耦合，其相互接觸面要涂一層耦告劑。耦合荊選用鈣基黃油或高溫油， 油內(nèi)不能有雜質(zhì)及氣泡。
（2）安裝：當(dāng)進(jìn)行測量時，將耦合劑均勻地涂在被測管壁上，然后將探頭頭部指向液體前進(jìn)方向，輕壓在油面上，并前后左右輕輕移動，使之排除氣泡， 用夾板固定好即可。
（三）電路原理
電路的設(shè)計(jì)在于完成多普勒頻移△f的檢測，并將檢測出的多普勒頻移轉(zhuǎn)換成流量進(jìn)行模擬顯示 報(bào)警，電路的設(shè)計(jì)還在于穩(wěn)定電源電壓。電路的方框圖見圖4。
二、性能指標(biāo)
測量范圍
lin檔：0—250L/min
1.5in檔:0-250L/min
4in檔： 0-2500L/min
測量精度 ±3%（相當(dāng)于滿刻度）
報(bào) 警： 分5檔可調(diào)
環(huán)境溫度：一1O℃-+50℃
額定電源電壓：交流36v、220v、380v由用戶選擇
電源波動范圍：±30％
絕緣電阻>IOOMΩ
耐壓：1O00V/min正常
重量：探頭60g，二次儀表2.5kg
外形尺寸：探頭68×22×33×mm
二次儀表204×174×114mm
三、生產(chǎn)試驗(yàn)
1.一試驗(yàn)情況（見上表）
2．通過室內(nèi)外試驗(yàn)，證明有如下特點(diǎn)：
（1）測量是在管壁外進(jìn)行， 困此使用，安裝維修簡便。
  因采用非接觸式測量， 探頭不會受被測介質(zhì)，鉆屑、雜質(zhì)等腐蝕、磨損及堵塞； 不會破壞流體流場，不會造成壓力損失； 此外在有毒、有腐蝕性液體，嚴(yán)禁泄漏的場所，衛(wèi)生要求高的飲料等食品工業(yè)上也可以使用。
（2）對泥漿及清水的適應(yīng)能力強(qiáng)，測量精度基本上不受沖洗液成分、比重、粘度、含砂量、壓力，溫度等影響。
（3）全部采用集成電路，長期使用性能穩(wěn)定，重復(fù)性好（優(yōu)于1％）。
（4）設(shè)有低流量報(bào)警，為預(yù)訪“燒鉆”事故提供保障。
（5）壽命僅取決于安裝工藝及元器件壽命，而所選用的元器件壽命均在l0年以上。
（6）與其它非接觸式流量計(jì)相比，結(jié)構(gòu)簡單，耗電省，體積小，成本低。