超声波流量计的应用

超声波流量计的应用

作者：潘士杰

天津蓝巢电力检修有限公司北疆运行维护项目部

[摘要]：

随着科学技术的不断进步，对于流体流量的测量方式也不断的增多。本文系统的介绍了超声波流量计的分类、特点、工作原理、结构、优点、安装方式。对超声波流量计的优势和不足进行了分析，对超声波流量计的安装和应用进行阐述。

[关键词]

超声波  流量计   

[正文]

1、超声波分类及特点

（1）声波的分类

声音在不同的介质中传播随频率的变化有着不同的特性，按照频率的上升趋势来划分，声波可划分为次声波、声波、超声波、超高频声波等几种。频率低于20Hz的机械波为次声波。人耳所能听到的频率在20Hz~20kHz的机械波我们通常称之为声波。超声波则是指频率高于20kHz的机械波。其中频率大于~HZ的机械波称为超高频声波，其具有了波粒两相性。

（2）超声波的特性

由于超声波频率高、波长短，使超声波具有一些重要的特性，使其能够广泛应用于测量。

①束射特性，即超声波的能量在一定的范围内传播和良好的方向性，致使超声波能量高和集中，信号强度大，易于检测。

②反射特性、折射和波型转换特性；超声波具有良好的反射、折射特性，这一优点使得超声波能够在一定的范围内确定超声波的传输轨迹，从而可以很好的对超声波进行控制。

③检测灵敏度高，可达λ/2，而且频率越高，灵敏度越高。

2、超声波流量计的工作原理

超声波流量计利用超声波测量流量有许多种方法，其中典型的方法有时差法、声循环法、多普勒法。本文主要介绍时差法超声波流量计的工作原理，超声波在流体中的传播速度受到流体流速的影响，在流体顺流方向和逆流方向是不一样的，其传播时间差和流体的流速成正比。 只要测出超声波在这两个方向上传播的时-间差，便可知流体的流速，再乘以管道截面积便可得流体的流量，具体计算公式如下：

3.超声波流量计的结构

超声波流量计主要由换能器和控制器（变送器）两部分构成。 换能器有两种，一种是发射换能器，另一种是接收换能器。 发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收换能器接收到超声波信号，通过传输线送到控制器（变送器）。 控制器（变送器）的作用是将接收到的超声波信号经电子线路放大并转换为与被测流体体积流量成正比的电信号，进行显示和累计计算，还可将信号进行远传进入 DCS 等控制系统。

4.超声波流量计的优点及不足

相对于传统的孔板法测量，超声波流量计具有更多的优势。超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题超声波流量计存在无法应用的领域。其目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。为确保流量计正常投运，仪表选型至关重要。 超声波流量计根据换能器的安装方法不同可分为外夹式超声波流量计、插入式超声波流量计和标准管段式超声波流量计。 超声波流量计的选型主要是根据计量要求选择适合的流量计。

（1）外夹式超声波流量计，优点：①外夹式超声波流量计的换能器安装在管道外面，不与被测流体直接接触，不存在换能器腐蚀、粘结等问题；②测量时，在管道内部无任何测量部件，没有压力损失，不改变流体的流动状态；③安装简单方便，管道不用切断，不用开孔，安装时不用停流；④可以便携使用，便于对有怀疑的其他流量计进行比对。 不足：①对管道条件要求较高，应确定管道材质、管道外径、壁厚、衬里材质和厚度等；②测量精度相对低一些。

（2）插入式超声波流量计 ，优点 ：①安装时不用停流 ，使用专用安装工具在管道上开孔，换能器直接穿插在孔内；②与外夹式超声波流量计相比，测量精度较高，不受管道锈蚀、结垢等的影响。 不足：①换能器直接与被测流体接触，易被腐蚀、结晶造成仪表测量不准确。

（3）标准管段式超声波流量计 ，把换能器固定安装在按照设计加工好的管段上，并且换能器直接与被测流体接触。这种流量计能够准确控制加工精度，同时可以测量管段的几何尺寸，而且两个换能器之间只有单一被测介质，所以测量准确度较高，但是不足是安装麻烦，需要断流，割开管道安装而且对于大口径管道定做价格较高，因此除非特殊要求一般不建议选用此种超声波流量计。

5.超声波流量计的安装

（1）测量点位置的选取 ：①测量点应尽量选择距离上游 10 倍直径 、下游 5 倍直径以内均匀直管段，以确保流体所需的流速分布；②流量计尽可能水平或垂直安装，管内必须充满流体，当换能器安装在倾斜管道上时，不要装在上部和底部，以免管道内的气体或杂质进入测量声道，应尽可能使换能器处于和水平面成 45 度角的范围内；③对于外夹式超声波流量计，测量点管道内壁不能有过厚结垢层，尽量选择无结垢的管段且应具有良好的导声性能；④避免有强磁场和震动干扰处及高温强腐蚀的环境下安装机器；⑤选择管材应均匀致密，易于超声波传输的管段；⑥ 安装点上游距水泵应有30D距离。

（2）换能器安装方式有两种探头安装方式，即Z法和V法。 ①V 法安装适用于管径较小时，采用 V 法安装扩大了声程长度，增加了顺逆向声波传播时间；②Z 法安装Z 法安装方式一般适用于 DN200 以上管道s，使用 Z 法安装时超声波在管道中直接传输，没有折射，信号衰耗小。

（1）Z法安装：

（2）V法安装：

V法安装具有较好的测量精度，通常优先选择V法测量。当被测量流体浊度高，用V法测量收不到信号或信号很弱时或管道内壁有衬里时，且D < 200mm时也可采用Z法安装，对于管道条件较好者，即使D稍大于200mm，为了提高测量精度，也可采用V法安装。

5.超声波流量计的应用

近年来，由于电子技术的进步，超声波流量计发展很快，且日益完善，越来越显示出其优越性。 各种超声波流量计已广泛应用于工业生产、商业计量和水利检测等方面，例如，在市政行业的原水、自来水、中水、污水的计量中，超声波流量计具有大量程比，无压损的特点，在保证测量准确度的同时提高了官网的输水效率；在工业冷却循环水的计量中，超声波流量计实现了在线不断流带压安装和在线标定。

6.结束语

综上所述，超声波流量计作为流量测量仪表，有其独特的优点，在很多领域得到了越来越广泛的应用，特别是智能化超声波流量计，采用微处理器和程序控制，且带通讯接口、功能更强、编程方便，因而具有更强的生命力。 但是不论其如何发展，如果设计选型及安装不当，不仅无法发挥其优越性，还会带来损失。 因此，在实际应用中，超声波流量计的正确选型及安装是极为重要的两个环节，必须引起我们的重视。

参考文献：《热工仪表检修（第二版）》，中国电力出版社。