不同原理的超声波流量计在核心工作机制和应用场景上有显著区别，主要体现在如何探测流速并计算流量。以下是主要类型的区别详解：

1. 传播时间差法 (时差法/Time-of-Flight, TOF)

• 工作原理：
  • 利用超声波在顺流和逆流方向传播的时间差来计算流速。
  • 在管道两侧成对安装换能器（发射/接收一体）。
  • 测量超声波从上游传感器A到下游传感器B（顺流）的时间 t_down = L / (c + V·cosθ)。
  • 测量超声波从下游传感器B到上游传感器A（逆流）的时间 t_up = L / (c - V·cosθ)。
  • 其中，L 为声道长度，c 为流体中的声速，V 为流体平均流速，θ 为声道与管道轴线的夹角。
  • 核心公式： 流速 V = [ΔL * Δt] / [2 * t_down * t_up * cosθ] （或基于时间差Δt = t_up - t_down的变体），流量 Q = V * A（A为截面积）。
• 测量特点：
  • 高精度： 是目前最精确、应用最广泛的超声波流量计技术，精度可达±0.5% - ±1%或更高。
  • 依赖声速： 准确测量时间差至关重要。流体温度、组分变化会导致声速c变化，直接影响计算。因此，算法通常需要补偿声速（通过测量管道直径、温度或结合测量t_up和t_down来反算）。
  • 适用流体： 清洁、均质的单相液体或气体（水、油、空气、天然气等）。悬浮物或气泡会严重干扰超声波传播路径和时间。
  • 安装方式： 外夹式、插入式、管段式均可。
• 子类型差异（频差法 vs 相位差法）
  • 频差法： 测量顺逆流下超声波脉冲重复频率的差。易受声速变化影响（因为V∝Δt，而Δt与c⁻²成正比），精度相对较低，已较少单独使用。
  • 相位差法： 测量顺逆流下连续波或长脉冲波的相位差。V ∝ Δφ（相位差），精度很高（可达0.1%），但对电路要求高，成本高，应用不如时差法广泛。

2. 多普勒法 (Doppler Shift)

• 工作原理：
  • 利用超声波在随流体运动的悬浮颗粒或气泡上发生散射产生的多普勒频移来测量流速。
  • 成对或单传感器工作（收发一体）。发射固定频率f_t的超声波进入流体。
  • 流体中的散射体以速度V运动，使反射波频率f_r发生改变。
  • 测量发射频率与接收频率的差值Δf = f_t - f_r。
  • 核心公式： V = (C * Δf) / (2 * f_t * cosθ) （简化近似），流量Q = V * A。
• 测量特点：
  • 依赖散射体： 必须存在足够数量和大小的悬浮颗粒、气泡或不连续相（如污水、泥浆、含气泡液体、乳化液）才能产生可检测的信号。无法用于纯净液体或气体。
  • 测量点速度： 实际测量的是声束路径上散射体的平均速度（可能非管道平均流速），精度受流态、颗粒浓度和分布影响显著。
  • 精度： 一般较低（典型±1% - ±5%或更高），重复性优于绝对精度。
  • 不受声速显著影响： 流速V与频移Δf成正比，在公式分母中有声速c，但Δf本身的测量与c无关。c的变化对结果影响远小于时差法。
  • 安装方式： 通常为外夹式，需安装在管道下半部（颗粒易沉积区域）。

3. 相关法 (Cross-Correlation)

• 工作原理：
  • 测量流体中自然存在或人为注入的随机扰动（涡流、密度变化、标记物）在两个固定测量点之间移动所需的时间。
  • 在两个相隔一定距离的位置放置超声波传感器。
  • 检测信号（如衰减、反射强度变化）中的随机特征模式。
  • 计算上游传感器信号与下游传感器信号的最大互相关函数值所对应的时间延迟τ。
  • 核心公式： 流速 V = D / τ（D为两传感器间距离）。
• 测量特点：
  • 利用流体固有特性： 不依赖纯净度或散射体，适用于多相流、脏污流体（浆液、泡沫流）甚至某些困难气体。
  • 非侵入： 多采用外夹式。
  • 精度适中： 依赖信号处理能力，精度可达±1%左右。
  • 实时性稍弱： 需要采集足够数据进行相关计算。
  • 应用特定： 主要用于复杂流体的测量。

4. 波束偏移法 (Beam Deflection)

• 工作原理：
  • 利用流体速度场导致超声波束传播路径偏转的特性。
  • 通常使用窄波束发射，在接收端通过传感器阵列测量波束到达点的位移。
  • 核心关系： 流速 V ∝ Δx / sin(2θ)（Δx为接收点偏移量，θ为发射角）。
• 测量特点：
  • 非主流技术： 测量精度和稳定性不如时差法和多普勒法。
  • 对流速分布敏感： 直接反映流场内速度梯度。
  • 应用少： 主要用于流速分布的科学研究，工程上极少用于流量计量。

总结对比表

选择哪种超声波流量计主要取决于被测流体的特性（尤其是清洁度或是否含散射体） 以及对测量精度的要求。传播时间差法（特别是时差法）是清洁流体的首选，多普勒法是含杂质液体的选择，而相关法则针对更复杂的多相流应用。波束偏移法在工程流量计量中几乎不采用。