超声波流量计

超声波流量计

1 工作原理

封闭管道用USF按测量原理分类有：①传播时间法；②多普勒效应法；③波束偏移法；④相关法；⑤噪声法。本文将讨论用得最多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。

1.1 传播时间法

声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，称之传播时间法。按测量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频差法。

1.2 多普勒（效应）法

多普勒（效应）法USF是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。

（1）流速方程式发送器向流体发的超声信号,如果流体中有固体颗粒或气泡存在,则会产生散射.当测量管道内的流体流动时,散射出来的声波信号的频率和发射声波频率是不一样的,即会产生多普勒频移,频移量和流体的流速成正比.

如图所示，超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波.

2根据超声波流量计使用场合不同，可以分为固定式超声波流量计和便携式超声波流量计

(1)适用的场合不同

固定式超声波流量计用于安装在某一固定位置，对某一特定管道内流体的流量进行长期不间断的计量；便携式超声波流量计具有很大的机动性，主要用于对不同管道的流体流量作临时性测量。

(2)供电方式不同

固定式超声波流量计要求长期连续运行，所以要使用220V交流电源，便携式超声波流量计既可以使用现场的交流电源，也备有内置充电电池，可以连续工作5～10h［小时］，大大方便了不同场合临时性流量测量的需要。

(3)部分功能不同

因定式超声波流量计，通常都有4-20mA信号输出等功能，供远传显示使用，但其内部只能存贮一条管道的参数；便携式超声波流量计只是为了现场查看当时流量和短时间内的累计流量，故一般无输出信号功能，但为了方便测量不同管道流量，它具有丰富的贮存功能，可以同时存贮数十条不同管道的参数，供随时调出使用.

3 换能器供电方式不同

可以分为外贴式、插入式、管段式三种超声波流量计。

(1)外贴式

外贴式超声波流量计是生产最早，用户最熟悉且应用最广泛的超声波流量计，安装换能器无需管道断流，即贴即用，它充分体现了超声波流量计安装简单、使用方便的特点。

(2)管段式

某些管道因材质疏、导声不良，或者锈蚀严重，衬里和管道内空间有间隙等原因，导致超声波信号衰减严重，用外贴式超声波流量计无法正常测量，所以产生了管段式超声波流量计。

管段式超声波流量计把换能器和测量管组成一体，解决了外贴式流量计在测量中的一个难题。而且测量精度也比其它超声波流量计要高，但同时也牺牲了外贴式超声波流量计不断流安装这一优点，要求切开管道安装换能器。

(3)插入式

插入式超声波流量计介于上述二者中间。在安装上可以不断流，利用专门工具在有水的管道上打孔，把换能器插入管道内，完成安装。由于换能器在管道内，其信号的发射、接受只经过被测介质，而不经过管壁和衬里，所以其测量不受管质和管衬材料限制。

4 超声波流量计的选型

超声波流量计除上述各种类型外，近年来又出现了采用数字化电路的数字式超声波流量计，把换能器和转换器做在一起的一体式超声波流量计，等等。面对众多类型的超声波流量计，用户要根据实际情况和测量需要合理选型。

4.1多谱勒式超声波流量计

只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂志含量稳定的工厂过程液等。要注意它对被测介质要求比较苛刻，即不能是洁净水，同时杂技含量要相对稳定，才可以正常测量，而且不同厂家的仪表性能及对被测厂家的要求也不一样。选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解.

4.2便携式超声波流量计

适用于临时性测量，主要用于校对管道上已安装其它流量仪表的运行状态，进行一个区域内的流体平衡测试，检查管道的当时流量情况等。如果不作固定安装，而用于这些用途时，选用便携式超声波流量计既方便又经济。

4.3时差式超声波流量计

目前生产最多、应用范围最广泛的是时差式超声波流量计。它主要用来测量洁净的流体流量，在自来水公司和工业用水领域，得到广泛应用。此外它也可以测量杂技含量不高(杂质含量小于10g/L，粒径小于1mm)的均匀流体，如污水等介质的流量，而且精度可达±1.5%。实际应用表明，选用时差式超声波流量计，对相应流体的测量都可以达到满意的效果。

4.4管道式超声波流量计

精度最高，可达到±0.5%，而且不受管道材质、衬里的限制，适用于流量测量精度要求高的场合。但随着管径的增大，成本也会随增加，通常情况下，选用中小口径的管段式超声波流量计，较为经济。

4.5固定式超声波流量计

如果有足够的安装空间，使用插入式换能器代替外贴式换能器，彻底消除了管衬、结垢及管壁对超声波信号衰减的影响，测量稳定性更高，也大大减小了维护工作量。而且，由于插入式换能器也可以不断流安装，所以其应用正在不断推广。

5 超声波流量计的应用

5.1 正确选择

这是超声波流量计能够正常工作的基础。如果选型不当，或会造成流量无法测量，或者用户使用不做便等后果。具体选型原则，前面已做了详细的介绍。

5.2 合理安装

换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时除保证足够的上、下游直管段外，尤其要注意换能器尽量避开有变频调速嚣、电焊机等污染电源的场合。在安装方式上，主要有对贴安装方式和V方式、Z方式三种，如图3。多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式，时差式超声波流量计采用V方式和Z方式，通常情况下，管径小于300mm时，采用V方式安装，管径大于200mm时，采用Z方式安装。对于即可以用V方式安装又可以方式安装的换能器，尽量选用Z方式。实践表明，Z方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好.

5.3 及时核校

对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户，可以配备一台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况。一是坚持一装一校，即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准；二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化.

5.4 定期维护

与其他流量仪表相比，超声波流量计的维护量是比较小的。对于外贴换能器超声波流量计，安装以后无水压损失，无潜在漏水，只需定期检查换能器是否松动，与管道之间的粘合剂是否良好即可；插入式超声波流量计，要定期清理探头上沉积的杂质、水垢等有无漏水现象；如果是一体式超声波流量计，要检查流量计与管道之间的法兰链接是否良好，并考虑现场温度和湿度对其电子部件的影响，等待。定期维护可以确保超声波流量计的长期稳定运行。

5.5 故障排除

超声波流量计常见的故障原因及排除故障的方法如表：

表1 故障分析表

故障现象故障原因排除方法

无信号换能器与主机之间

联线断开

重新连接

信号强度不够1.出现的电源污染

净化电源

2.换能器位置移动重新调整换能嚣位置

瞬时流量稳定，

0 但比实际值偏大

换能器声楔出现故障更换换能器

瞬时流量波动大1.流体受到干扰，

流态不稳

更换换能器位置2.主机阻尼系数设置太小增大阴尼系数

瞬时与累计流量不一致主机出现故障更换主机

6.1 优点

USF可作非接触测量。夹装式换能器USF可无需停流截管安装，只要在既设管道外部安装换能器即可。这是USF 在工业用流量仪表中具有的独特优点，因此可作移动性（即非定点固定安装）测量，适用于管网流动状况评估测定

USF为无流动阻挠测量，无额外压力损失。

流量计的仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得的，既可采用干法标定，除带测量管段式外一般不需作实流校验。

USF适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关。对于大型管道不仅带来方便，可认为在无法实现实流校验的情况下是优先考虑的选择方案。

多普勒USF可测量固相含量较多或含有气泡的液体。

USF可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。

因易于实行与测试方法（如流速计的速度-面积法，示踪法等）相结合，可解决一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量，非圆截面管道测量等。

某些传播时间法USF附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声速以判断所测液体类别。例如，油船泵送油品上岸，可核查所测量的是油品还是仓底水。

6.2 缺点和局限性

传播时间法USF只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；反之多普勒法USF 只能用于测量含有一定异相的液体。

外夹装换能器的USF不能用于衬里或结垢太厚的管道，以及不能用于衬里（或锈层）与内管壁剥离（若夹层夹有气体会严重衰减超声信号）或锈蚀严重（改变超声传播路径）的管道。

多普勒法USF多数情况下测量精度不高。

国内生产现有品种不能用于管径小于DN25mm的管道。

7.1 组成

USF主要由安装在测量管道上的超声换能器（或由换能器和测量管组成的超声流量传感器）和转换器组成。转换器在结构上分为固定盘装式和便携式两大类。换能器和转换器之间由专用信号传输电缆连接，在固定测量的场合需在适当的地方装接线盒。夹装式换能器通常还需配用安装夹具和耦合剂。图7是系统组成示例，此例是测量液体用传播时间法单声道Z法夹装式USF.

7.2 分类

可以从不同角度对超声流量测量方法和换能器（或传感器）进行分类。

（1）按测量原理分类

封闭管道用USF按测量原理有5种，如2节所述，现在用得最多的是传播时间法和多普勒法两大类。

（2）按被测介质分类

有气体用和液体用两类。传播时间法USF两种介质各自专用，因换能器工作频率各异，通常气体在100~300kHz 之间，液体在1~5MHz之间。气体仪表不能用夹装式换能器，因固体和气体边界间超声波传播效率较低。

7.3 按换能器安装方式分类有、

1）可移动安装

2）固定安装

7.5声道设置和直管段要求

多普勒法USF通常只有单套发送和接收换能器；便携式外夹装换能器传播时间法USF通常也只有单声道，其他夹装式则也有用双声道者，带测量管段式有单声道和双声道以上。

（1）传播时间法

传播时间法采用多少声道的主要依据是测量精确度要求和安装仪表管段流动状况（取决于上游阻流件组成和直管段条件），以及管径大小。例如BS7405推荐管径大于0.5m用3或4声道，达于3m则用8声道

单声道从单一路径的线平均流速乘上系数代表平均流速。单一路径声道的换能器设置通常是通过管道中心，即在横截面投影圆的直径上，其系数即如图10.2所示。也右声道设置在弦的位置上。流动速度分布畸变和存在径向速度分量（如涡流、二次流）则会改变该系数值，弦位置的影响比直径位置的影响小。多声道测量多路径线平均流速，更减少流动畸变影响，提高测量精度。

确定声道数有的可按仪表样本规范选择（如管段式USF，除单声道外较多采用双声道计量声道以上），有的则向仪表制造场联系磋商（如现场安装式USF，特别是大管径应用，通常为3-8声道）。

为了获得流体沿管道中心平行对称地流动，测量点上下游要有足够的长度直管段作有效整流。不能满足时应设置流动调整器。

7.6 安装布置方面的考虑

1）安装位置和流动方向 USF的流量传感部分（超声流量传感器或超声换能器）一般均可安装于水平、倾斜或垂直管道。垂直管道最好选择自下而上流动的场所，若为自上而下，则其下游应有足够的背压，例如有高于测量点的后续管道，以防止测量点出现非满管流。

2）单向流还是双向流通常为单向流，但也可通过较复杂电子线路，设计成双向流动，此时流量测量点两侧直管段长度均应按上游直管段的要求布置。

3）管道条件外夹装式USF管道内表面积沉积层会产生声波不良传输和偏离预期声道路径和长度，应予避免；外表面因易于处理较少影响。夹装式换能器和管道接触表面要涂上耦合剂。应注意粒状结构材料（例如铸铁、混凝土）的管道，很可能声波被分散，大部分声波传送不到流体而降低性能。换能器安装处管道衬里或锈蚀层与管壁之间不能有缝隙。用V法的反设处必须避开焊缝和接口（参见图11）。

4）上游流动扰动与大部分其他流量仪表一样，USF敏感于流过仪表的流速分布剖面，因此也要求相当长度的上游直管段。前文已对直管段要求作了讨论。

5）防止声干扰应注意由控制阀高压力降等所形成的声学干扰，特别在测量气体流量时尤为重要，设法避免之。例如Instromet公司的USF显示仪中有声干扰实时测量报警；测量管道中采用如图9所示弯管阻断声干扰的措施。

7.8 经济因素方面的考虑

小口径USF与其他流量仪表相比价格较贵，然而非管段式USF价格并不明显增加。所以用于大口径、超大口径仪表有明显价格优势。多声道仪表有较复杂电子计算部件，价格要高些，因此在要求高精度的中小管径上应用受到一些限制。然而上有扰动大而直管段布置受限制的场所，多声道系统可能是仅有的合理解决方案。

外夹装式便携式USF的机动性和可以多处使用，仪表购置费可分摊给各测量点，从而降低测量成本。

USF的流量校验费用，外夹装式仪表通常不作实流校验，仅作静态调试，液体用仪表可充实液调试；管段式仪表为提高仪表精度，均作实流校验。因为这些校验或调试在出厂前进行，一般包括在价格内。

大管径仪表为了提高测量精确度或用户需要在现场考核其精确度，或者测量位置流场畸变严重必须作实流标定，在测量原位用速度面积法等方法在线校验，则应考虑其校验费用。

8.1 流量传感器或换能器的安装

（1）流量传感器（即带测量管段的插入式换能器总成）的安装

1）安装本类流量传感器时管网必须停流，测量点管道必须截断后接入流量传感器。

2）连接流量传感器的管道内径必须与流量传感器相同，其差别应在±1％以内。

3）流量传感器上的传感器尽可能在如图10所示与水平直径成45度的范围内，避免在垂直直径位置附近安装。否则在测量液体时换能器声波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。

4）测量液体时安装位置必须充满液体。

5）上下游应有必要的直管段。

（2）外夹装式换能器的安装。

上面2）、3）、4）、5）各项应同样注意外，还应注意以下各点。

1）剥净安装段内保温层和保护层，并把换能器按装处的壁面打磨干净。避免局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。

2）对于垂直设置的管道，若为单声道传播时间法仪表，换能器的安装位置应尽可能在上游弯管的弯轴平面内（见图11），以获得弯管流场畸变后较接近的平均值。

3）换能器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝，如图12以V法示例。

4）换能器安装处的管道衬里和垢层不能太厚。衬里、锈层与管壁间不能有间隙。对于锈蚀严重的管道，可用手锤震击管壁，以震掉壁上的锈层，保证声波正常传播。但必须注意防止击出凹坑。

5）换能器工作面与管壁之间保持有足够的耦合剂，不能有空气和固体颗粒，以保证耦合良好。

6）多普勒法夹装式换能器安装有对称安装和同侧安装两种方法，如图13所示。对称安装适用于中小管径（通常小于600mm）管道和含悬浮颗粒或气泡较少的液体；同侧安装适用于各种管径的管道和含悬浮颗粒或气泡较多的液体。

超声波流量计故障处理