超聲波流量計(jì)原理及選型

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超聲波流量計(jì)
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超聲波流量計(jì)是近代發(fā)展起來的一種新型測量流量的儀表，只要能傳播聲音的流體均可以用超聲波流量計(jì)測量；超聲波流量計(jì)可以測量高粘度液體、非導(dǎo)電性液體或氣體的流量，其測量流速的原理是：超聲波在流體中的傳播速度會隨被測流體流速而變化。

超聲波流量計(jì)一般不作結(jié)算計(jì)量儀表使用，對于現(xiàn)場計(jì)量點(diǎn)損壞生產(chǎn)不能停機(jī)更換，又需要檢測參數(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)的情況也往往用到超聲波流量計(jì)。超聲波流量計(jì)zui大優(yōu)勢是用于大口徑流量測量（管徑大于 2 米 ），即使有些結(jié)算用計(jì)量點(diǎn)，經(jīng)過使用雙方認(rèn)可，選用精度高的超聲波流量計(jì)，可以節(jié)約成本，并減少維護(hù)量。

超聲波流量計(jì)的選型及應(yīng)用

摘 要 超聲波流量計(jì)是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表，它從80年代開始進(jìn)入我國工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量領(lǐng)域，并在90年代得到迅速發(fā)展。文章對我佃國內(nèi)市場上出現(xiàn) 了各類超聲波流量進(jìn)行了深入研究分析，結(jié)合多年的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)闡述了超聲波流量計(jì)的分類方法；從儀表性能、被測介質(zhì)經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性等方面總結(jié)了選用超聲波流量的原則，并對應(yīng)用中如何選位、安裝、維護(hù)提出具體建議，為用戶合理選擇和應(yīng)用超聲波流量計(jì)提供了一些可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)和方法。
關(guān)鍵詞 超聲流量計(jì)；換能器；時(shí)差式；安裝方式

近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快，基于不同原理，適用于不同場合的各種型式的超聲波流量計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也對廣大用戶提出如何認(rèn)識超聲波流量計(jì)、怎樣選擇合適的類型，使用中應(yīng)注意些什么問題等一系列問題，本文綜合國內(nèi)超聲波流量計(jì)目前的發(fā)展情況及多年應(yīng)用的實(shí)踐，對上述問題進(jìn)行了些探討。

1 超聲波流量計(jì)的分類

超聲波流量計(jì)的各類很多，依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計(jì)。
1.1 多譜勒式超聲波流量計(jì)
換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；驓馀莺?，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒將就，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。
當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。

1.2時(shí)差式超聲波流量計(jì)
時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。

2 區(qū)別

根據(jù)超聲波流量計(jì)使用場合不同，可以分為固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)。

2.1這兩類超聲波流量計(jì)的主要區(qū)別
（1）適用的場合不同
固定式超聲波流量計(jì)用于安裝在某一固定位置，對某一特定管道內(nèi)流體的流量進(jìn)行長期不間斷的計(jì)量；便攜式超聲波流量計(jì)具有很大的機(jī)動(dòng)性，主要用于對不同管道的流體流量作臨時(shí)性測量。
（2）供電方式不同
固定式超聲波流量計(jì)要求長期連續(xù)運(yùn)行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計(jì)既可以使用現(xiàn)場的交流電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5～10h［小時(shí)］，大大方便了不同場合臨時(shí)性流量測量的需要。
（3）部分功能不同
因定式超聲波流量計(jì)，通常都有4-20mA信號輸出等功能，供遠(yuǎn)傳顯示使用，但其內(nèi)部只能存貯一條管道的參數(shù)；便攜式超聲波流量計(jì)只是為了現(xiàn)場查看當(dāng)時(shí)流量和短時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量，故一般無輸出信號功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時(shí)存貯數(shù)十條不同管道的參數(shù)，供隨時(shí)調(diào)出使用。

2.2 換能器供電方式不同
可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計(jì)。
（1）外貼式
外貼式超聲波流量計(jì)是生產(chǎn)zui早，用戶zui熟悉且應(yīng)用zui廣泛的超聲波流量計(jì)，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現(xiàn)了超聲波流量計(jì)安裝簡單、使用方便的特點(diǎn)。
（2）管段式
某些管道因材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴(yán)重，襯里和管道內(nèi)空間有間隙等原因，導(dǎo)致超聲波信號衰減嚴(yán)重，用外貼式超聲波流量計(jì)無法正常測量，所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計(jì)。
管段式超聲波流量計(jì)把換能器和測量管組成一體，解決了外貼式流量計(jì)在測量中的一個(gè)難題。而且測量精度也比其它超聲波流量計(jì)要高，但同時(shí)也犧牲了外貼式超聲波流量計(jì)不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn)，要求切開管道安裝換能器。
（3）插入式
插入式超聲波流量計(jì) 介于上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號的發(fā)射、接受只經(jīng)過被測介質(zhì)，而不經(jīng)過管壁和襯里，所以其測量不受管質(zhì)和管襯材料限制。

3 超聲波流量計(jì)的選型

超聲波流量計(jì)除上述各種類型外，近年來又出現(xiàn)了采用數(shù)字化電路的數(shù)字式超聲波流量計(jì)，把換能器和轉(zhuǎn)換器做在一起的一體式超聲波流量計(jì)，等等。面對眾多類型的超聲波流量計(jì)，用戶要根據(jù)實(shí)際情況和測量需要合理選型。

3.1多譜勒式超聲波流量計(jì)
只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水、雜志含量穩(wěn)定的工廠過程液等。要注意它對被測介質(zhì)要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時(shí)雜技含量要相對穩(wěn)定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對被測廠家的要求也不一樣。選擇此類超聲波流量計(jì)即要對被測介質(zhì)心中有數(shù)，也要對所選用的超聲波流量計(jì)的性能、精度和對被測介質(zhì)的要求有深入的了解。

3.2便攜式超聲波流量計(jì)
適用于臨時(shí)性測量，主要用于校對管道上已安裝其它流量儀表的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行一個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體平衡測試 ，檢查管道的當(dāng)時(shí)流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時(shí)，選用便攜式超聲波流量計(jì)既方便又經(jīng)濟(jì)。

3.3時(shí)差式超聲波流量計(jì)
目前生產(chǎn)zui多、應(yīng)用范圍zui廣泛的是時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它主要用來測量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。此外它也可以測量雜技含量不高（雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均勻流體，如污水等介質(zhì)的流量，而且精度可達(dá)±1.5%。實(shí)際應(yīng)用表明，選用時(shí)差式超聲波流量計(jì)，對相應(yīng)流體的測量都可以達(dá)到滿意的效果。

3.4管道式超聲波流量計(jì)
精度zui高，可達(dá)到±0.5%，而且不受管道材質(zhì)、襯里的限制，適用于流量測量精度要求高的場合。但隨著管徑的增大，成本也會隨增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計(jì)，較為經(jīng)濟(jì)。

3.5固定式超聲波流量計(jì)
如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，*消除了管襯、結(jié)垢及管壁對超聲波信號衰減的影響，測量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護(hù)工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應(yīng)用正在不斷推廣。
有的廠家推出了內(nèi)部為數(shù)字化電路的超聲波流量計(jì)，其特點(diǎn)是采用數(shù)字電路處理信號，糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，取樣及時(shí)，精度提高（模擬電路的精度為±1.5%，數(shù)字電路可以達(dá)到±1.0%），而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號輸出模式供選擇，在實(shí)際應(yīng)用也取得了很好的效果。用戶在使用中可以和模擬電路的超聲波流量計(jì)進(jìn)行比較。
超聲波流量計(jì)的功能選擇，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況來確定。如果測量雙向流體，一定要選擇帶有正負(fù)計(jì)量功能的超聲波流量計(jì)；如果用戶需要定期了解流體在一定時(shí)段有流量情況，可以選擇帶打印機(jī)的超聲波流量計(jì)?？傊x擇的超聲波流量計(jì)的功能既要滿足用戶需要，也不必貪多求全，造成許多功能閉置不用，而增加購買成本。

4 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用

超聲波流量計(jì)在應(yīng)用中，需要注意以下幾個(gè)方面的問題：
4.1 正確選擇
這是超聲波流量計(jì)能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng)，或會造成流量無法測量，或者用戶使用不做便等后果。具體選型原則，前面已做了詳細(xì)的介紹。

4.2 合理安裝
換能器安裝不合理是超聲波流量計(jì)不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個(gè)問題。確定位置時(shí)除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調(diào)速囂、電焊機(jī)等污染電源的場合。在安裝方式上，主要有對貼安裝方式和V方式、Z方式三種。多譜勒式超聲波流量計(jì)采用對貼式安裝方式，時(shí)差式超聲波流量計(jì)采用V方式和Z方式，通常情況下，管徑小于300mm時(shí)，采用V方式安裝， 管徑大于200mm時(shí)，采用Z方式安裝。對于即可以用V方式安裝又可以方式安裝的換能器，盡量選用Z方式。實(shí)踐表明，Z方式安裝的換能器超聲波信號強(qiáng)度高，測量的穩(wěn)定性也好。

4.3 及時(shí)核校
對于現(xiàn)場安裝固定式超聲波流量計(jì)數(shù)量大、范圍廣的用戶，可以配備一臺同類型的便攜式超聲波流量計(jì)，用于核?，F(xiàn)場儀表的情況。一是堅(jiān)持一裝一校，即對每一臺新裝超聲波流量計(jì)在安裝調(diào)試時(shí)進(jìn)行核校，確保選位好、安裝好、測量準(zhǔn)；二是對在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)發(fā)生流量突變時(shí)，要利用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行及時(shí)核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實(shí)發(fā)生了變化。

4.4 定期維護(hù)
與其他流量儀表相比，超聲波流量計(jì)的維護(hù)量是比較小的。對于外貼換能器超聲波流量計(jì)，安裝以后無水壓損失，無潛在漏水，只需定期檢查換能器是否松動(dòng)，與管道之間的粘合劑是否良好即可；插入式超聲波流量計(jì)，要定期清理探頭上沉積的雜質(zhì)、水垢等有無漏水現(xiàn)象；如果是一體式超聲波流量計(jì)，要檢查流量計(jì)與管道之間的法蘭鏈接是否良好，并考慮現(xiàn)場溫度和濕度對其電子部件的影響，等待。定期維護(hù)可以確保超聲波流量計(jì)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

超聲波流量計(jì)使用中注意事項(xiàng)

　 1、瞬時(shí)流量計(jì)波動(dòng)大？
A、信號強(qiáng)度波動(dòng)大；B、本身測量流體波動(dòng)大；
解決方法：調(diào)整好探頭位置，提高信號強(qiáng)度（保持在3%以上）保證信號強(qiáng)度穩(wěn) 定，如本身流體波動(dòng)大，則位置不好，重新選點(diǎn)，確保*D后5D的工況要求。

2、外夾式流量計(jì)信號低？
管徑過大，管道結(jié)垢嚴(yán)重，或選擇安裝方式不對。
解決方法：對于管徑過大、結(jié)垢嚴(yán)重，建議采用插入式探頭，或選擇“Z”型安裝方式。

3、插入式探頭使用一段時(shí)間后信號降低？
可能探頭發(fā)生偏移或探頭表面水垢厚。
解決方法：重新調(diào)整探頭位置，清冼探頭發(fā)射面。

4、開機(jī)無顯示
檢查電源屬性是否與儀表的額定值相對應(yīng)，保險(xiǎn)絲是否燒斷，如以上問題不薦在，對建議把儀器發(fā)回我司由專業(yè)技術(shù)人員檢查。

5、開機(jī)后儀表僅有背光，無任何字符顯示
此情況一般為程序芯片失，建議把儀器發(fā)回我司進(jìn)行處理。

6、儀表在現(xiàn)場強(qiáng)干擾下無法使用？
供電電源波動(dòng)范圍較大，周圍有變頻器或強(qiáng)磁場干擾，接地線不正確。
解決方法：給儀表提供穩(wěn)定的供電電源，儀表安裝遠(yuǎn)離變頻器和強(qiáng)磁場干擾，有良好的接地線。

● 插入式超聲流量計(jì)：可不停產(chǎn)安裝和維護(hù)。采用陶瓷傳感器，使用我公司鉆孔裝置進(jìn)行不停產(chǎn)安裝。一般為單聲道測量，為了提高測量準(zhǔn)確度，可選擇三聲道。
　　 ● 管段式超聲流量計(jì)：需切開管路安裝，但以后的維護(hù)可不停產(chǎn)。可選擇單聲道或三聲道傳感器。
　　 ● 外夾式超聲流量計(jì)：能夠完成固定和移動(dòng)測量。采用耦合劑（室溫固化的硅橡膠或高溫長鏈聚合油脂）安裝，安裝時(shí)不損壞管路。
　　 ● 便攜式超聲流量計(jì)：便攜使用，內(nèi)置可充電鋰電池，適合移動(dòng)測量，配接磁性傳感器。
　　 ● 手持式超聲流量計(jì)：體積小，重量輕，內(nèi)置可充電鋰電池，手持使用，配接磁性傳感器。
　　 ● 防爆型超聲流量計(jì)：用于爆炸性環(huán)境液體流量測量，為防爆兼本安型。即轉(zhuǎn)換器為防爆型，傳感器為本質(zhì)安全型。
　　 ● 流量測量系統(tǒng)：由多臺超聲流量計(jì)和系統(tǒng)主站組成。適于多條管路的集中測量。
　　 ● 超聲熱量計(jì)：用于供熱系統(tǒng)的熱量測量。
　　 ● 電池供電型超聲流量計(jì)：采用一節(jié)鋰電池供電的一體式超聲流量計(jì)。適于無市電供應(yīng)的測量場合，一節(jié)電池可使用十年，具有多種測量功能。
系列明渠流量計(jì)，用于液體明渠流量測量，測量傳感器可采用超聲速度傳感器、帕氏槽、P－B槽、三角堰、矩形堰和全寬堰，并采用超聲液位測量。該系統(tǒng)明渠流量計(jì)測量準(zhǔn)確、可靠。采用超聲速度傳感器時(shí)，可測量大型渠道或涵洞的液體流量。
　　 ● 堰槽式明渠流量計(jì)：可使用帕氏槽、P－B槽、三角堰、矩形堰、全寬堰進(jìn)行明渠流量測量，液位傳感器采用超聲傳感器。
　　 ● 超聲式明渠流量計(jì)：采用超聲傳感器測量流速及液位。測量準(zhǔn)確度高，適于大型渠道和涵洞的流量測量。根據(jù)測量準(zhǔn)確度要求，超聲速度測量可選擇單聲道、雙聲道和三聲道。

本文章來自于：北京中瑞能儀表技術(shù)有限公司

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