超聲波流量計(jì)的選型及應(yīng)用

　　摘  要   超聲波流量計(jì)是一種利用超聲波脈沖來測(cè)量流體流量的速度式流量儀表，它從80年代開始進(jìn)入我國工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量領(lǐng)域，并在90年代得到迅速發(fā)展。文章對(duì)我佃國內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn) 了各類超聲波流量進(jìn)行了深入研究分析，結(jié)合多年的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)闡述了超聲波流量計(jì)的分類方法；從儀表性能、被測(cè)介質(zhì)經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性等方面總結(jié)了選用超聲波流量的原則，并對(duì)應(yīng)用中如何選位、安裝、維護(hù)提出具體建議，為用戶合理選擇和應(yīng)用超聲波流量計(jì)提供了一些可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)和方法。
　　關(guān)鍵詞    超聲流量計(jì)；換能器；時(shí)差式；安裝方式
   
      近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(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，基于不同原理，適用于不同場(chǎng)合的各種型式的超聲波流量計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)廣大用戶提出如何認(rèn)識(shí)超聲波流量計(jì)、怎樣選擇合適的類型，使用中應(yīng)注意些什么問題等一系列問題，本文綜合國內(nèi)超聲波流量計(jì)目前的發(fā)展情況及多年應(yīng)用的實(shí)踐，對(duì)上述問題進(jìn)行了些探討。

    1 超聲波流量計(jì)的分類

    超聲波流量計(jì)的各類很多，依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計(jì)。

1.1 多譜勒式超聲波流量計(jì)

                                                                     

      如圖1，換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號(hào)，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒將就，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。
   設(shè)流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v，即

所以流體流速

     當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測(cè)量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。

    1.2時(shí)差式超聲波流量計(jì)

      時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測(cè)量流體流量的。

如圖2，換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號(hào)，這是順流方向，其傳播時(shí)間為

    反之，逆流方向的傳播時(shí)間為：

    時(shí)間差為：

    由于c>>v，故

    所以，流體流速

    同樣，c、L、θ均為常數(shù)，測(cè)得時(shí)間差△t即可求出流體流速v進(jìn)而求得流體流量。
    2 區(qū)別

    根據(jù)超聲波流量計(jì)使用場(chǎng)合不同，可以分為固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)。

    2.1這兩類超聲波流量計(jì)的主要區(qū)別

    (1)適用的場(chǎng)合不同
    固定式超聲波流量計(jì)用于安裝在某一固定位置，對(duì)某一特定管道內(nèi)流體的流量進(jìn)行長期不間斷的計(jì)量；便攜式超聲波流量計(jì)具有很大的機(jī)動(dòng)性，主要用于對(duì)不同管道的流體流量作臨時(shí)性測(cè)量。
    (2)供電方式不同
    固定式超聲波流量計(jì)要求長期連續(xù)運(yùn)行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計(jì)既可以使用現(xiàn)場(chǎng)的交流電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5～10h［小時(shí)］，大大方便了不同場(chǎng)合臨時(shí)性流量測(cè)量的需要。
    (3)部分功能不同
    因定式超聲波流量計(jì)，通常都有4-20mA信號(hào)輸出等功能，供遠(yuǎn)傳顯示使用，但其內(nèi)部只能存貯一條管道的參數(shù)；便攜式超聲波流量計(jì)只是為了現(xiàn)場(chǎng)查看當(dāng)時(shí)流量和短時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量，故一般無輸出信號(hào)功能，但為了方便測(cè)量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時(shí)存貯數(shù)十條不同管道的參數(shù)，供隨時(shí)調(diào)出使用。

    2.2 換能器供電方式不同

    可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計(jì)。
    (1)外貼式
    外貼式超聲波流量計(jì)是生產(chǎn)，用戶最熟悉且應(yīng)用泛的超聲波流量計(jì)，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現(xiàn)了超聲波流量計(jì)安裝簡單、使用方便的特點(diǎn)。
    (2)管段式
    某些管道因材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴(yán)重，襯里和管道內(nèi)空間有間隙等原因，導(dǎo)致超聲波信號(hào)衰減嚴(yán)重，用外貼式超聲波流量計(jì)無法正常測(cè)量，所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計(jì)。
    管段式超聲波流量計(jì)把換能器和測(cè)量管組成一體，解決了外貼式流量計(jì)在測(cè)量中的一個(gè)難題。而且測(cè)量精度也比其它超聲波流量計(jì)要高，但同時(shí)也犧牲了外貼式超聲波流量計(jì)不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn)，要求切開管道安裝換能器。
    (3)插入式
    插入式超聲波流量計(jì) 介于上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號(hào)的發(fā)射、接受只經(jīng)過被測(cè)介質(zhì)，而不經(jīng)過管壁和襯里，所以其測(cè)量不受管質(zhì)和管襯材料限制。

    3 超聲波流量計(jì)的選型

     超聲波流量計(jì)除上述各種類型外，近年來又出現(xiàn)了采用數(shù)字化電路的數(shù)字式超聲波流量計(jì)，把換能器和轉(zhuǎn)換器做在一起的一體式超聲波流量計(jì)，等等。面對(duì)眾多類型的超聲波流量計(jì)，用戶要根據(jù)實(shí)際情況和測(cè)量需要合理選型。

    3.1多譜勒式超聲波流量計(jì)

    只能用于測(cè)量含有適量能反射超聲波信號(hào)的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水、雜志含量穩(wěn)定的工廠過程液等。要注意它對(duì)被測(cè)介質(zhì)要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時(shí)雜技含量要相對(duì)穩(wěn)定，才可以正常測(cè)量，而且不同廠家的儀表性能及對(duì)被測(cè)廠家的要求也不一樣。選擇此類超聲波流量計(jì)即要對(duì)被測(cè)介質(zhì)心中有數(shù)，也要對(duì)所選用的超聲波流量計(jì)的性能、精度和對(duì)被測(cè)介質(zhì)的要求有深入的了解。

    3.2便攜式超聲波流量計(jì)

    適用于臨時(shí)性測(cè)量，主要用于校對(duì)管道上已安裝其它流量儀表的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行一個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體平衡測(cè)試 ，檢查管道的當(dāng)時(shí)流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時(shí)，選用便攜式超聲波流量計(jì)既方便又經(jīng)濟(jì)。

    3.3時(shí)差式超聲波流量計(jì)

    目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍泛的是時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它主要用來測(cè)量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。此外它也可以測(cè)量雜技含量不高(雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm)的均勻流體，如污水等介質(zhì)的流量，而且精度可達(dá)±1.5%。實(shí)際應(yīng)用表明，選用時(shí)差式超聲波流量計(jì)，對(duì)相應(yīng)流體的測(cè)量都可以達(dá)到滿意的效果。

    3.4管道式超聲波流量計(jì)

    精度，可達(dá)到±0.5%，而且不受管道材質(zhì)、襯里的限制，適用于流量測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合。但隨著管徑的增大，成本也會(huì)隨增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計(jì)，較為經(jīng)濟(jì)。

    3.5固定式超聲波流量計(jì)

    如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，消除了管襯、結(jié)垢及管壁對(duì)超聲波信號(hào)衰減的影響，測(cè)量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護(hù)工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應(yīng)用正在不斷推廣。
    有的廠家推出了內(nèi)部為數(shù)字化電路的超聲波流量計(jì)，其特點(diǎn)是采用數(shù)字電路處理信號(hào)，糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，取樣及時(shí)，精度提高(模擬電路的精度為±1.5%，數(shù)字電路可以達(dá)到±1.0%)，而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號(hào)輸出模式供選擇，在實(shí)際應(yīng)用也取得了很好的效果。用戶在使用中可以和模擬電路的超聲波流量計(jì)進(jìn)行比較。
    超聲波流量計(jì)的功能選擇，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況來確定。如果測(cè)量雙向流體，一定要選擇帶有正負(fù)計(jì)量功能的超聲波流量計(jì)；如果用戶需要定期了解流體在一定時(shí)段有流量情況，可以選擇帶打印機(jī)的超聲波流量計(jì)。總之，所選擇的超聲波流量計(jì)的功能既要滿足用戶需要，也不必貪多求全，造成許多功能閉置不用，而增加購買成本。

    4 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用

    超聲波流量計(jì)在應(yīng)用中，需要注意以下幾個(gè)方面的問題：

    4.1 正確選擇

    這是超聲波流量計(jì)能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng)，或會(huì)造成流量無法測(cè)量，或者用戶使用不做便等后果。具體選型原則，前面已做了詳細(xì)的介紹。

   4.2 合理安裝

   換能器安裝不合理是超聲波流量計(jì)不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個(gè)問題。確定位置時(shí)除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調(diào)速囂、電焊機(jī)等污染電源的場(chǎng)合。在安裝方式上，主要有對(duì)貼安裝方式和V方式、Z方式三種，如圖3。多譜勒式超聲波流量計(jì)采用對(duì)貼式安裝方式，時(shí)差式超聲波流量計(jì)采用V方式和Z方式，通常情況下，管徑小于300mm時(shí)，采用V方式安裝， 管徑大于200mm時(shí)，采用Z方式安裝。對(duì)于即可以用V方式安裝又可以方式安裝的換能器，盡量選用Z方式。實(shí)踐表明，Z方式安裝的換能器超聲波信號(hào)強(qiáng)度高，測(cè)量的穩(wěn)定性也好。

 

    4.3 及時(shí)核校
    對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝固定式超聲波流量計(jì)數(shù)量大、范圍廣的用戶，可以配備一臺(tái)同類型的便攜式超聲波流量計(jì)，用于核校現(xiàn)場(chǎng)儀表的情況。一是堅(jiān)持一裝一校，即對(duì)每一臺(tái)新裝超聲波流量計(jì)在安裝調(diào)試時(shí)進(jìn)行核校，確保選位好、安裝好、測(cè)量準(zhǔn)；二是對(duì)在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)發(fā)生流量突變時(shí)，要利用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行及時(shí)核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實(shí)發(fā)生了變化。

    4.4 定期維護(hù)

    與其他流量儀表相比，超聲波流量計(jì)的維護(hù)量是比較小的。對(duì)于外貼換能器超聲波流量計(jì)，安裝以后無水壓損失，無潛在漏水，只需定期檢查換能器是否松動(dòng)，與管道之間的粘合劑是否良好即可；插入式超聲波流量計(jì)，要定期清理探頭上沉積的雜質(zhì)、水垢等有無漏水現(xiàn)象；如果是一體式超聲波流量計(jì)，要檢查流量計(jì)與管道之間的法蘭鏈接是否良好，并考慮現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度對(duì)其電子部件的影響，等待。定期維護(hù)可以確保超聲波流量計(jì)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

    4.5 故障排除

    超聲波流量計(jì)常見的故障原因及排除故障的方法如表：

     表1 故障分析表

故障現(xiàn)象

故障原因
排除方法
無信號(hào)
換能器與主機(jī)之間
聯(lián)線斷開
重新連接 信號(hào)強(qiáng)度不夠 1.出現(xiàn)的電源污染

凈化電源 2.換能器位置移動(dòng)
重新調(diào)整換能囂位置 瞬時(shí)流量穩(wěn)定，
0 但比實(shí)際值偏大 換能器聲楔出現(xiàn)故障 更換換能器 瞬時(shí)流量波動(dòng)大 1.流體受到干擾，
流態(tài)不穩(wěn)
更換換能器位置 2.主機(jī)阻尼系數(shù)設(shè)置太小
增大陰尼系數(shù)
瞬時(shí)與累計(jì)流量不一致 主機(jī)出現(xiàn)故障

更換主機(jī)

    3 結(jié)束語

    目前，超聲波流量計(jì)的各類很多，應(yīng)用也很廣泛，在流量測(cè)量方面發(fā)揮著越來越重要的作用，而且其技術(shù)更新很快，不斷有新型的超聲波流量計(jì)推向市場(chǎng)，走向用戶。只有把握超聲波流量計(jì)的發(fā)方向，才能更好的了解它，應(yīng)用它，便它更好的服務(wù)于生產(chǎn)和計(jì)量工作。
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