超聲流量計(jì)

1  概述介紹

　　超聲流量計(jì)和電磁流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計(jì)，是適于解決流量測(cè)量困難問題的一類流量計(jì)，特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，它是發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。

2  工作原理

　　根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法(直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。

　　1、時(shí)差法 測(cè)量順逆?zhèn)鞑r(shí)傳播速度不同引起的時(shí)差計(jì)算被測(cè)流體速度。

　　它采用兩個(gè)聲波發(fā)送器(SA和SB)和兩個(gè)聲波接收器（RA和RB）。同一聲源的兩組聲波在SA與RA之間和SB與RB之間分別傳送。它們沿著管道安裝的位置與管道成θ角(一般θ=45°)（圖1）。由于向下游傳送的聲波被流體加速，而向上游傳送的聲波被延遲，它們之間的時(shí)間差與流速成正比。也可以發(fā)送正弦信號(hào)測(cè)量?jī)山M聲波之間的相移或發(fā)送頻率信號(hào)測(cè)量頻率差來實(shí)現(xiàn)流速的測(cè)量。

　　2、相位差法 測(cè)量順逆?zhèn)鞑r(shí)傳播時(shí)由于時(shí)差引起的相位差計(jì)算速度。

　　它的發(fā)送器沿垂直于管道的軸線發(fā)送一束聲波，由于流體流動(dòng)的作用，聲波束向下游偏移一段距離。偏移距離與流速成正比。

　　3、頻差法 測(cè)量順逆?zhèn)鞑r(shí)傳播時(shí)的聲環(huán)頻率差。

　　當(dāng)超聲波在不均勻流體中傳送時(shí)，聲波會(huì)產(chǎn)生散射。流體與發(fā)送器間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)送的聲波信號(hào)和被流體散射后接收到的信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。多普勒頻移與流體流速成正比。圖2中被測(cè)流體的區(qū)域位于發(fā)射波束與接收到的散射波束的交叉之處。要求波束很窄，使兩波束的夾角θ不致受到波束寬度影響。也可只采用一個(gè)變換器既作為發(fā)送器又作為接收器，這種方式稱為單通道式。在單通道多普勒血液流量計(jì)中，發(fā)送器間隔地發(fā)送聲脈沖信號(hào)，在兩個(gè)聲脈沖間隔的時(shí)間中，接收從血管壁和血管內(nèi)紅血球反射回來的聲脈沖信號(hào)。采用控制線路選擇給定距離處的紅血球反射信號(hào),通過比較后得到多普勒頻移,它與血液流速成正比。在已知血管橫截面時(shí)可得到血液流量。

3  分類

　　超聲流量計(jì)可按下述原則來分類。

　　（1）測(cè)量原理

　　時(shí)差法超聲流量計(jì)；

　　頻差法超聲流量計(jì)；

　　相差法超聲流量計(jì)；

　　多普勒超聲流量計(jì)；

　　液位測(cè)量和平均流速測(cè)量相結(jié)合的非滿管和渠道超聲流量計(jì)。

　　（2）使用方式

　　便攜式超聲流量計(jì)，特點(diǎn)：便攜使用，內(nèi)置可充電鋰電池，適合移動(dòng)測(cè)量，配接磁性傳感器。

　　固定式（標(biāo)準(zhǔn)管段式）超聲流量計(jì)。

　　（3）換能器的安裝方法

　　標(biāo)準(zhǔn)管段式超聲流量計(jì)，特點(diǎn)：需切開管路安裝，但以后的維護(hù)可不停產(chǎn)?？蛇x擇單聲道或三聲道傳感器。

　　外夾式超聲流量計(jì)，特點(diǎn)：能夠完成固定和移動(dòng)測(cè)量。采用專用耦合劑（室溫固化的硅橡膠或高溫長(zhǎng)鏈聚合油脂）安裝，安裝時(shí)不損壞管路。

　　現(xiàn)場(chǎng)開孔插入式超聲流量計(jì)。

　　（4）換能器與流體是否接觸

　　接觸式（插入式）超聲流量計(jì)，特點(diǎn)：可不停產(chǎn)安裝和維護(hù)。

　　非接觸式（外夾式）超聲流量計(jì)。

　?。?）被測(cè)流體的性質(zhì)

　　液體超聲流量計(jì)；

　　氣體超聲流量計(jì)。

　　（6）換能器聲道的數(shù)目

　　單聲道超聲流量計(jì)；

　　兩聲道超聲流量計(jì)；

　　多聲道超聲流量計(jì)(3 聲道以上，含3聲道) 。

4  應(yīng)用

　　各種超聲流量計(jì)已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)計(jì)量和水利檢測(cè)等方面，如：

　　在市政行業(yè)的原水、自來水、中水、污水的計(jì)量中，超聲流量計(jì)具有大量程比、無壓損的特點(diǎn)，在保證測(cè)量準(zhǔn)確度的同時(shí)提高了管網(wǎng)的輸水效率；

　　在水利水電行業(yè)的輸水管道、渠道、泵站、電站的流量計(jì)量中，超聲流量計(jì)具有大口徑、現(xiàn)場(chǎng)安裝、在線標(biāo)定的特點(diǎn)，使準(zhǔn)確測(cè)量成為可能。同時(shí)通過對(duì)水泵、水輪機(jī)單泵、單機(jī)的計(jì)量來實(shí)現(xiàn)設(shè)備優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的；

　　在工業(yè)冷卻循環(huán)水的計(jì)量中，超聲流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了在線不斷流帶壓安裝和在線標(biāo)定；

　　在商業(yè)計(jì)量方面多聲道超聲流量計(jì)已達(dá)到優(yōu)于0.2%的準(zhǔn)確度（示值誤差）。

　　(1)傳播時(shí)間法應(yīng)用于清潔、單相液體和氣體。典型應(yīng)用有工廠排放液、:怪液、液化天然氣等;

　　(2)氣體應(yīng)用方面在高壓天然氣領(lǐng)域已有使用良好的經(jīng)驗(yàn);

　　(3)多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體,例如:未處理污水、工廠排放液、臟流程液;通常不適用于非常清潔的液體。

5  安裝維護(hù)

　　傳播速度差法超聲流量計(jì)測(cè)量精度已優(yōu)于11.0%，有的多聲道超聲流量計(jì)的精度已高達(dá)士0.5%R。但由于早期的超聲流量計(jì)自身一般不帶標(biāo)準(zhǔn)管道而工業(yè)上所用管路又十分復(fù)雜，使得超聲流量計(jì)的測(cè)量精度大打折扣；另外，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特別是管路周圍環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，大大降低了超聲流量計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。因此，如何根據(jù)特定的環(huán)境安裝調(diào)試超聲流量計(jì)，就成了超聲流量測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。符合規(guī)范的正確安裝，可以更好地體現(xiàn)超聲流量計(jì)的精度、可靠性和穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)，大大降低儀表的日常維護(hù)工作。

　　以前盛行的外夾裝式超聲流量計(jì)使用方便靈活，然而現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際側(cè)量精度，常因工作琉忽，換能器安裝距離及流通面積等測(cè)量的誤差而造成梢度下降。不正確的安裝甚至?xí)沟脙x表完全不能工作；因此，安裝換能器對(duì)于測(cè)量是非常重要環(huán)節(jié):國(guó)外競(jìng)相開發(fā)出經(jīng)實(shí)流核準(zhǔn)的高精度帶測(cè)量管段的中小口徑超聲流量計(jì)，且用雙聲道或多聲道以改善單聲道側(cè)量平均流速的不確定影響量，降低了迎流流速分布影響的敏感度，減少了前后置直管段長(zhǎng)度的影響，消除了現(xiàn)場(chǎng)安裝換能器位置的影響，使測(cè)量精度大大提高。

　　一般，超聲流量計(jì)的安裝應(yīng)從以下幾個(gè)方面來考慮:

　　1)詳細(xì)了解現(xiàn)場(chǎng)情況;

　　2)確定安裝方式;

　　3)選擇安裝管段;

　　4)計(jì)算安裝距離，確定探頭位置;

　　5)管道表面處理;

　　6)探頭安裝及接線;

　　7)用示波器觀察接收波形，微調(diào)并固定探頭。

6  優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn):

　　(1)可做非接觸式測(cè)量;

　　(2)為無流動(dòng)阻撓測(cè)量,無壓力損失;

　　(3)可測(cè)量非導(dǎo)電性液體,對(duì)無阻撓測(cè)量的電磁流量計(jì)是一種補(bǔ)充。

　　缺點(diǎn):

　　(1)傳播時(shí)間法只能用于清潔液體和氣體;而多普勒法只能用于測(cè)量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體;

　　(2)多普勒法測(cè)量精度不高。