超聲波流量計的特點和應(yīng)用

陳 聰

(中國石化集團上海工程有限公司 ，上海 200120）

1 引言

近年來，超聲波流量計新品種大量涌現(xiàn)，在石化、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛，成為新型流量計的主要品種之一。由于它以非接觸式方式進行流量測量，所以使強腐蝕、放射性、堵塞、粘性、要求壓損小的、不允許泄露的介質(zhì)、有氣泡、含顆粒等工況有了有效的解決方法。對于夾持式超聲波流量計，由于管道尺寸與價格無關(guān)，特別在大管道大流量測量上廣泛應(yīng)用。

2 超聲波流量計的原理和測量方法

2.1 測量原理和組成

超聲波流量計是基于超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息，如順流和逆流的傳播速度由于疊加了流體流速而不相同。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。

超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。

2.2 測量方法

根據(jù)檢測的方式，可分為傳播速度差法（時間差法，頻率差法，相位差法）、 多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計。

由于直接時差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳報時速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被廣泛采用。

多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。

波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來反映流體流速的，低流速時，靈敏度很低適用性不大。

噪聲法(聽音法)是利用管道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，設(shè)備價格便宜，但準(zhǔn)確度低。

相關(guān)法是近年來的一種新方法。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測量流量，原理上，此法的測量準(zhǔn)確度與流體中的聲速無關(guān)，因而與流體溫度，濃度等無關(guān)，因而測量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。但價格貴，線路比較復(fù)雜。

以上幾種方法各有特點，應(yīng)根據(jù)被測流體性質(zhì)，流速分布情況、管路安裝地點以及對測量準(zhǔn)確度的要求等因素進行選擇。一般說來由于生產(chǎn)中工況的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時差法。只有在管徑很大時才采用直接時差法。當(dāng)流場分布不均勻而表前直管段又較短時，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來克服流速擾動帶來的流量測量誤差。多普勒法適于測量兩相流，可避免常規(guī)儀表由懸浮?；驓馀菰斐傻亩氯?、磨損、附著而不能運行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。

隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的輸送和應(yīng)用以及燃料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量計應(yīng)用開辟廣闊前景。下表列出了超聲波流量計測量方法特點應(yīng)用之間的比較。

表 超聲波流量計測量方法特點應(yīng)用比較

3 超聲波流量計的特點

超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的一種非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。

3.1 節(jié)能

使用超聲波流量計夾裝在測量管道的外表面，不需要在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，沒有壓力損失，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。

3.2 適于難測介質(zhì)及大管道測量

檢測件內(nèi)無阻礙物，無可動零部件，不干擾流場，不會堵塞，多普勒法多適于測量臟污流、混相流等困難的被測介質(zhì)。由于是非接觸式儀表，可以不受流體的壓力、溫度、粘度和密度的影響，除用于測量水，石油等一般介質(zhì)外，還能對強腐蝕、非導(dǎo)電、易爆和放射性的介質(zhì)進行測量。

儀表原理上是不受管道尺寸限制，特別適用于大管道大流量測量。其他流量計隨著口徑的增加，造價增加，而超聲波造價與管道尺寸無關(guān)，口徑越大優(yōu)勢越明顯。最大口徑可達2米左右。正由于夾持式超聲波流量計與管道尺寸無關(guān)，還可作臨時測量應(yīng)用。它對管道尺寸的改變，或者流量測量范圍的改變，有很好的適應(yīng)能力。

3.3 維修方便

檢測件維修更換方便，不需要斷流進行（內(nèi)裝式除外）。

3.4 存在的缺點

超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復(fù)雜。這是因為，一般工業(yè)計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500 m/s左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10-3數(shù)量級.若要求測量流速的準(zhǔn)確度為1%，則對聲速的測量準(zhǔn)確度需為10-5～10-6數(shù)量級，因此必須有完善的測量線路才能實現(xiàn)，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實際應(yīng)用的原因。

傳播時間法只能用于清潔的液體和氣體。而多普勒法的測量精度不高，只能用于測量含有定量懸浮顆粒和氣泡的液體。

4 超聲波流量計的選型應(yīng)用

超聲波流量計的選型是一項比較復(fù)雜的工作，設(shè)計換能器類型，聲道設(shè)置方式，轉(zhuǎn)換器及其附件的選用，現(xiàn)場安裝設(shè)計及配套器材的準(zhǔn)備等。

4.1 選型原則

正確的選型是超聲波流量計正常工作的基礎(chǔ)。

傳播速度差法多用于潔凈的被測介質(zhì)，精度要求高的場合。在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。是超聲波流量計目前應(yīng)用范圍最廣泛的一種測量方法。也可用于測量雜質(zhì)含量不高的均質(zhì)流體，而且精度可達±1.5%。

多普勒法準(zhǔn)確度較低，適用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆?；驓馀莸囊后w，如：未處理的污水，雜質(zhì)含量穩(wěn)定的工廠過程液，工廠排放液等。對被測介質(zhì)的要求比較苛刻，不同廠家的儀表性能不同，對被測介質(zhì)的要求也不同。

4.2 安裝要求

合理的安裝可以保證超聲波流量計的穩(wěn)定運行。

在安裝時選擇流體流場分布均勻的部分，還要保證足夠的直管段長度要求，以便形成穩(wěn)定的速度分布。一般要求上游直管段長度為5D～10D（D為管道直徑，下同），下游直管段長度為3D～5D。如果直管段長度達不到要求，會造成測量準(zhǔn)確度的降低。要盡量遠離泵和閥門，泵應(yīng)該距離測量管段上游50D，閥門應(yīng)該距離測量管段上游30D。

安裝時要選用正確的安裝方式。換能器探頭安裝在傾斜和水平管道上時，應(yīng)該選用水平位置安裝，即一般應(yīng)該使換能器探頭與水平面成45度角的范圍內(nèi)。由于管道中的氣泡和雜質(zhì)會反射或者衰減超聲波信號，給測量帶來較大的誤差，采用水平位置安裝的方式，就可以使被測流體中的氣泡聚集在管道的上方，大的雜質(zhì)沿著管道的底部流動，安裝的部位保證一定的背壓，從而使管道內(nèi)充滿流體，沒有氣泡或者氣泡較少。從而對超聲波在流體中傳播的影響減少到最小程度，達到測量準(zhǔn)確度最大化。

4.3 準(zhǔn)確的工藝管道參數(shù)

準(zhǔn)確的工藝管道參數(shù)是得到準(zhǔn)確測量結(jié)果的基礎(chǔ)。在工藝管線上，特別是舊管線上安裝使用超聲波流量計時，一定要得到準(zhǔn)確的工藝管道參數(shù)，如管道的外徑、壁厚、材質(zhì)、襯里等等。對于比較臟污的管線，還要把結(jié)垢考慮為襯里，以便得到更為準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

4.4 其他影響因素

要選擇均勻密致的管道材質(zhì)，適于超聲波傳播的直管段。選擇震動小，方便安裝和維護的位置。安裝換能器探頭部位要去漆，除銹，砂平。選用合適的耦合劑，并在安裝時均勻涂抹在探頭安裝部位。選擇準(zhǔn)確的流體類型和儀表類型，準(zhǔn)確測量換能器探頭的安裝距離。選擇配套的探頭類型，保證換能器探頭部位的溫度在可工作的范圍內(nèi)。

5 超聲波流量計使用中的維護和檢修

在實際使用中，由于換能器探頭部位的管線震動、溫度變化，管道內(nèi)結(jié)垢情況的變化，以及超聲波流量計電路工作點的漂移等因素，可能造成測量不準(zhǔn)確，因此需要定期對超聲波流量計進行檢查和維護。

日常檢查和維護工作有：信號強度和信號良度的檢查，傳輸時間和傳輸時差的檢查，電流模擬輸出的檢查，定期標(biāo)定和校正，管道的壁厚變化等。

6 結(jié)束語

超聲波流量計是目前在工程設(shè)計應(yīng)用中呈上升趨勢的一種流量計，在流量測量方面發(fā)揮著重要的作用。了解并把握超聲波流量計的原理性能特點，注意選型、安裝、使用和維護，就可以達到準(zhǔn)確測量的目的。

[1] 陸德民，張振基，黃步余，等. 石油化工自動控制設(shè)計手冊（第三版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

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