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。

一、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。

1、多谱勒式超声波流量计

如图1，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f_d。

设流体流速为v，超声波声速为c，多谱勒频移f_d正比于流体流速v，即：

所以流体流速

当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，c、f₁、θ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。

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。

如图2，换能器1向换能器2发射超声波信号，这是顺流方向，其传播时间为：

反之，逆流方向的传播时间为：

时间差为：

由于c>>v，故

所以，流体流速

同样，c、L、θ均为常数，测得时间差△t即可求出流体流速v进而求得流体流量。

二、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。

1、这两类超声波流量计的主要区别

（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。

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。

三、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。

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。

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、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、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。

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。

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。

四、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：

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。

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。

图3

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。

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、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

五、结束语

目前，超声波流量计的各类很多，应用也很广泛，在流量测量方面发挥着越来越重要的作用，而且其技术更新很快，不断有新型的超声波流量计推向市场，走向用户。只有把握超声波流量计的发方向，才能更好的了解它，应用它，便它更好的服务于生产和计量工作。