探析超聲波流量計(jì)的工作原理及其應(yīng)用

郝士達(dá)

摘 要： 筆者主要對(duì)超聲波流量計(jì)的工作原理進(jìn)行了分析，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，提出了超聲波流量計(jì)的安裝、維護(hù)方法。

關(guān)鍵詞： 超聲波流量計(jì) 測(cè)量原理 流量 優(yōu)缺點(diǎn) 應(yīng)用

前言

隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測(cè)量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快?；诓煌?，不同結(jié)構(gòu)，適用于不同場(chǎng)合的各種形式的超聲波流量計(jì)已相繼出現(xiàn)，因其具有運(yùn)行穩(wěn)定、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到工農(nóng)業(yè)、水利、水電等部門，正日趨成為測(cè)流工作的首選工具。

1、超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)常用的測(cè)量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時(shí)差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測(cè)量超聲波脈沖順?biāo)骱湍嫠鲿r(shí)速度之差來反映流體的流速，從而測(cè)出流量； 多普勒法的基本原理則是應(yīng)用聲波中的多普勒效應(yīng)測(cè)得順?biāo)骱湍嫠鞯念l差來反映流體的流速?gòu)亩贸隽髁?。超聲波在流?dòng)的流體中傳播時(shí)就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測(cè)出流體的流速，從而換算成流量。超聲波流量計(jì)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(cè)量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計(jì)聯(lián)動(dòng)可進(jìn)行敞開水流的流量測(cè)量。

使用超聲波流量比不用在流體中安裝測(cè)量元件故不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可在不影響生產(chǎn)管線的情況下運(yùn)行，因而是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)。超聲波流量計(jì)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(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算。這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。

超聲波流量計(jì)常用壓電換能器。它利用壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后接收換能器接收，經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測(cè)。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲波流量計(jì)換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動(dòng)。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動(dòng)的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適角度射入到流體中，需把元件放入聲楔中，構(gòu)成換能器整體（又稱探頭）。聲楔的材料不僅要求強(qiáng)度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。

常用的聲楔材料是有機(jī)玻璃，因?yàn)樗该?，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。

2、超聲波流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

眾所周知，目前的工業(yè)流量測(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量困難的問題，這是因?yàn)橐话懔髁坑?jì)隨著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來制造和運(yùn)輸上的困難，造價(jià)提高、能損加大、安裝不緊這些缺點(diǎn)，超聲波流量計(jì)均可避免。因?yàn)楦黝惓暡髁坑?jì)均可管外安裝、非接觸測(cè)流，儀表造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計(jì)隨著口徑增加，造價(jià)大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計(jì)比相同功能其它類型流量計(jì)的功能價(jià)格比越優(yōu)越。被認(rèn)為是較好的大管徑流量測(cè)量?jī)x表，多普勒法超聲波流量計(jì)可測(cè)雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測(cè)量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量水輪機(jī)進(jìn)水量、汽輪機(jī)循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計(jì)方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測(cè)量。管徑的適用范圍從2 cm到5 m，從幾米寬的明渠、暗渠到500 m寬的河流都可適用。另外，超聲測(cè)量?jī)x表的流量測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測(cè)量?jī)x表，故可解決其它類型儀表所難以測(cè)量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問題。

另外，鑒于非接觸測(cè)量特點(diǎn)，再配以合理的電子線路，一臺(tái)儀表可適應(yīng)多種管徑測(cè)量和多種流量范圍測(cè)量。超聲波流量計(jì)的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計(jì)具有上述一些優(yōu)點(diǎn)因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場(chǎng)合和不同管道條件的流量測(cè)量。超聲波流量計(jì)目前所存在的缺點(diǎn)主要是可測(cè)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(cè)流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國(guó)只能用于測(cè)量200 ℃以下的流體。另外，超聲波流量計(jì)的測(cè)量線路比一般流量計(jì)復(fù)雜。這是因?yàn)?，一般工業(yè)計(jì)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1 500 m/s左右，被測(cè)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(jí).若要求測(cè)量流速的準(zhǔn)確度為 1% ，則對(duì)聲速的測(cè)量準(zhǔn)確度需為10-5～10-6數(shù)量級(jí)，因此必須有完善的測(cè)量線路才能實(shí)現(xiàn)，這是超聲波流量計(jì)只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實(shí)際應(yīng)用的原因。

3、超聲波流量計(jì)的應(yīng)用

由于超聲波流量計(jì)安裝和維護(hù)方便，精度高（分公司超聲波流量計(jì)精度為0.5級(jí)） ，目前，分公司共有超聲波流量計(jì)12臺(tái)，主要做為水的一級(jí)計(jì)量?jī)x表使用，分別用于余熱爐、燃煤、電解泵房等水的計(jì)量，陸續(xù)投運(yùn)以來運(yùn)行情況良好。前期通過超聲波流量計(jì)的成功應(yīng)用，不但為分公司的流量計(jì)量提供了可靠的數(shù)據(jù)保障，同時(shí)也為分公司日后超聲波流量計(jì)的安裝和維護(hù)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

3.1 超聲波流量計(jì)安裝

超聲波流量計(jì)的合理安裝與正確選型都是關(guān)系到流量計(jì)能否正常運(yùn)行的重要因素。由于超聲波流量計(jì)是一種線速度式流量計(jì)，液體的液態(tài)對(duì)流量計(jì)正常運(yùn)行影響較大，因此正確選擇流量計(jì)換能器的安裝位置和上、下游直管段的距離十分重要。換能器的位置要選擇在遠(yuǎn)離管道彎頭、變徑、閥門、節(jié)流裝置的直管段，可以選水平管段或垂直管段（ 必須流體向上流動(dòng)） ，確保流體滿管平穩(wěn)流動(dòng)，一般要求上游直管段為10D（ D表示管道直徑） ，下游5D。另外要注意換能器盡量避開有變頻調(diào)速器、電焊機(jī)等污染電源的場(chǎng)合。超聲波流量計(jì)換能器的安裝方式也要有一定的要求，不能隨意選用。多普勒超聲波流量計(jì)采用對(duì)貼式安裝方式，一對(duì)換能器對(duì)貼的最佳位置應(yīng)該選擇管道的水平方向，避免貼在管道的上、下游側(cè)位置。時(shí)差式超聲波流量計(jì)根據(jù)管道可徑 大小不同，換能器安裝方式有V形、Z形、W形三種形式，通常情況下選用V形標(biāo)準(zhǔn)安裝方式； 管徑大于400 mm時(shí)，采用Z； 小管徑采用W形安裝方式。選用不同安裝方式的共同目的是一樣的，即為了使換能器超聲波信號(hào)強(qiáng)度高，測(cè)量穩(wěn)定性好。

3.2 超聲波流量計(jì)的維護(hù)

與其他各類流量計(jì)相比，超聲波流量計(jì)的維護(hù)工作量相對(duì)較小，主要工作是定期現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)巡檢，重點(diǎn)檢查換能器是否松動(dòng)，與管道之間的粘合是否良好。對(duì)于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，并檢查密封口處有無泄漏現(xiàn)象，對(duì)于管道式超聲波流量計(jì)，要檢查流量計(jì)與管道之間的法蘭連接是否良好，并注意現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度和腐蝕性氣體對(duì)電子部件的影響等。日常維護(hù)的另一項(xiàng)工作就是要定期對(duì)運(yùn)行的流量計(jì)進(jìn)行核校，公司配置了一臺(tái)同類便攜式超聲波流量計(jì)，用來比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度，同時(shí)，當(dāng)流量波動(dòng)劇烈時(shí)，也可以用來判斷區(qū)分是來自儀表自身還是生產(chǎn)工藝方面的原因，以便及時(shí)處理故障。

參考文獻(xiàn)：

[1]王敏.超聲波流量計(jì)在制鹽生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].鹽業(yè)與化工，2012，41（ 6） ： 35-36.