874381031超声波流量计原理.doc

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1、超声波流量计超声波流量计原理超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。 众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流

2、量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类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。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范

3、围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。 另外，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。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。超声波

4、流量计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铝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。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500ms左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是103数量级若要求测量流速的准确度为1，则对声速的测量准确度需为10-510-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。 超声波流量计由超声波换能

5、器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波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，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。 超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以

6、保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。 超声波流量计超声波流量计是近代发展起来的一种新型测量流量的仪表，只要能传播声音的流体均可以用超声波流量计测量；超声波流量计可以测量高粘度液体、非导电性液体或气体的流量，其测量流速的原理是：超声波在流体中的传播速度会随被测流体流速而变化。超声波流量计一般不

7、作结算计量仪表使用，对于现场计量点损坏生产不能停机更换，又需要检测参数指导生产的情况也往往用到超声波流量计。超声波流量计最大优势是用于大口径流量测量（管径大于 2 米 ），即使有些结算用计量点，经过使用双方认可，选用精度高的超声波流量计，可以节约成本，并减少维护量。超声波流量计的选型及应用 摘 要 超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表，它从80年代开始进入我国工业生产和计量领域，并在90年代得到迅速发展。文章对我佃国内市场上出现 了各类超声波流量进行了深入研究分析，结合多年的实际应用经验，系统阐述了超声波流量计的分类方法；从仪表性能、被测介质经济性，实用性等方面总结了

8、选用超声波流量的原则，并对应用中如何选位、安装、维护提出具体建议，为用户合理选择和应用超声波流量计提供了一些可以借鉴的经验和方法。关键词 超声流量计；换能器；时差式；安装方式近几年来，随着电子技术、数字技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快，基于不同原理，适用于不同场合的各种型式的超声波流量计得到了广泛应用，同时也对广大用户提出如何认识超声波流量计、怎样选择合适的类型，使用中应注意些什么问题等一系列问题，本文综合国内超声波流量计目前的发展情况及多年应用的实践，对上述问题进行了些探讨。1 超声波流量计的分类超声波流量计的各类很多，依照不同的分类方法，可以分为不同类型的超声波流量计。

9、1.1 多谱勒式超声波流量计换能器1发射频率为f1的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f2的频率反射到换能器2，这就是多谱勒将就，f2与f1之差即为多谱勒频差fd。当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，c、f1、即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。1.2时差式超声波流量计时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。2 区别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。2.1这两类超声波流量计的主要区别（1）适用

10、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510h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

11、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。2.2 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

12、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。3 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。3.1多谱勒式超声波流量计只能用于测

13、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。3.2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。3.3时差式超声波流量计目

14、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。3.4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。3.5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

15、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。有的厂家推出了内部为数字化电路的超声波流量计，其特点是采用数字电路处理信号，纠错能力增强，取样及时，精度提高（模拟电路的精度为1.5%，数字电路可以达到1.0%），而且集成度提高，仪表体积大大减小，有多种信号输出模式供选择，在实际应用也取得了很好的效果。用户在使用中可以和模拟电路的超声波流量计进行比较。超声波流量计的功能选择，用户可以根据实际情况来确定。如果测量双向流体，一定要选择带有正负计量功能的超声波流量计；如果用户需要定期了解流体在

16、一定时段有流量情况，可以选择带打印机的超声波流量计。总之，所选择的超声波流量计的功能既要满足用户需要，也不必贪多求全，造成许多功能闭置不用，而增加购买成本。 4 超声波流量计的应用 超声波流量计在应用中，需要注意以下几个方面的问题：4.1 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。4.2 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

17、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。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。4.3 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

18、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。4.4 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。超声波流量计使用中注意事项 1、瞬时流量计波动大？A、信号强度

19、波动大；B、本身测量流体波动大；解决方法：调整好探头位置，提高信号强度（保持在3%以上）保证信号强度稳 定，如本身流体波动大，则位置不好，重新选点，确保前10D后5D的工况要求。2、外夹式流量计信号低？管径过大，管道结垢严重，或选择安装方式不对。解决方法：对于管径过大、结垢严重，建议采用插入式探头，或选择“Z”型安装方式。3、插入式探头使用一段时间后信号降低？可能探头发生偏移或探头表面水垢厚。解决方法：重新调整探头位置，清冼探头发射面。4、开机无显示检查电源属性是否与仪表的额定值相对应，保险丝是否烧断，如以上问题不荐在，对建议把仪器发回我司由专业技术人员检查。5、开机后仪表仅有背光，无任何字符

20、显示此情况一般为程序芯片失，建议把仪器发回我司进行处理。6、仪表在现场强干扰下无法使用？供电电源波动范围较大，周围有变频器或强磁场干扰，接地线不正确。解决方法：给仪表提供稳定的供电电源，仪表安装远离变频器和强磁场干扰，有良好的接地线。 插入式超声流量计：可不停产安装和维护。采用陶瓷传感器，使用我公司专用钻孔装置进行不停产安装。一般为单声道测量，为了提高测量准确度，可选择三声道。 管段式超声流量计：需切开管路安装，但以后的维护可不停产。可选择单声道或三声道传感器。 外夹式超声流量计：能够完成固定和移动测量。采用专用耦合剂（室温固化的硅橡胶或高温长链聚合油脂）安装，安装时不损坏管路。 便携式超声流

21、量计：便携使用，内置可充电锂电池，适合移动测量，配接磁性传感器。 手持式超声流量计：体积小，重量轻，内置可充电锂电池，手持使用，配接磁性传感器。 防爆型超声流量计：用于爆炸性环境液体流量测量，为防爆兼本安型。即转换器为防爆型，传感器为本质安全型。 流量测量系统：由多台超声流量计和系统主站组成。适于多条管路的集中测量。 超声热量计：用于供热系统的热量测量。 电池供电型超声流量计：采用一节锂电池供电的一体式超声流量计。适于无市电供应的测量场合，一节电池可使用十年，具有多种测量功能。系列明渠流量计，用于液体明渠流量测量，测量传感器可采用超声速度传感器、帕氏槽、PB槽、三角堰、矩形堰和全宽堰，并采用超

22、声液位测量。该系统明渠流量计测量准确、可靠。采用超声速度传感器时，可测量大型渠道或涵洞的液体流量。 堰槽式明渠流量计：可使用帕氏槽、PB槽、三角堰、矩形堰、全宽堰进行明渠流量测量，液位传感器采用超声传感器。 超声式明渠流量计：采用超声传感器测量流速及液位。测量准确度高，适于大型渠道和涵洞的流量测量。根据测量准确度要求，超声速度测量可选择单声道、双声道和三声道。2.1 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

23、，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。2.2 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