超聲波流量計雙向流計量研究

摘 要：超聲波流量計原則上可以用來雙向流計量，但實際應用時必須注意不同表型其反向計量精度不同這一特點，選擇合適表型。本文分析了超聲流量計的原理、分類及選擇和應用的方法。

關鍵詞：超聲波流量計 流量測定

流量測量是研究物質量變的科學，質和量的互變規律是事物聯系與發展的基本規律，凡是需要掌握流體流動的地方都有流量測量的問題。對流體流量進行正確測量和調節是保證生產過程安全經濟運行、提高產品質量、降低物質消耗、提高經濟效益、實現科學管理的基礎。超聲波流量計就是其中的一種，本文擬對超聲波流量計雙向流計量進行簡略的研究。

1. 超聲流量計的原理。

超聲流量計的原理是利用聲速差計算流體速度，并以流體度乘以面積計算體積流量。通常超聲流量計的探頭，即換能器與表體之間有一個入射角，從60度到45度。超聲波在一對探頭之間傳播，如果沒有流體，也就是0流量的情況下，來回的傳播時間是一樣的，那么相當于流速為零。一旦有流體，則超聲在一對探頭之間來回的速度是不一樣的。不管流體流向，都會產生聲速差，如果設定一個方向為正常流向，那么正常聲速應該是正數，如果聲速差為負，則說明流向相反，也就是可以反向計量，兩個方向的計量精度是一樣的。

2．超聲波流量計的分類。

（1）根據超聲波聲道結構類型劃分。

根據超聲波聲道結構類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計。單聲道超聲波流量計是在被測管道或渠道上安裝一對換能器構成一個超聲波通道，應用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計結構簡單、使用方便，但這種流量計對流態分布變化適應性差，測量精度不易控制，一般用于中小口徑管道和對測量精度要求不高的渠道。多聲道超聲波是在被測管道或渠道上安裝多對超聲波換能器構成多個超聲波通道，綜合各聲道測量結果求出流量。與單聲道超聲波流量計相比，多聲道流量計對流態分布變化適應能力強，測量精度高，可用于大口徑管道和流態分布復雜的管渠。

（2）根據超聲波流量計適用的流道來劃分。

根據超聲波流量計適用的流道不同可分為管道流量計、管渠流量計和河流流量計。管道流量計一般是指用于有壓管道的流量計，其中也包括有壓的各種形狀斷面的涵洞，這種流量計一般是通過一個或多個聲道測量流體中的流速，然后求得流量。用于管渠的超聲波流量計除了要具有測流速的換能器以外，還需要有測水位的換能器，根據測得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量計一般含有多個測速換能器(由聲道數決定)和一個測水位換能器。多數河流超聲波流量計僅測流速和水位，而河流的過水流量由用戶根據河床斷面進行計算。

3．選擇和應用超聲波流量計的方法。

目前我國的超聲波流量計只能用于測量200℃以下的流體。超聲波流量計的測量線路比一般流量計復雜，只有在集成電路技術迅速發展的前題下才能得到實際應用。超聲波流量計的原理一般用戶只需大致了解即可，用戶最注重儀表性能和實用。

（1）便攜式流量計。

便攜式流量計主要用于臨時的對比測量，機動性很大，價格較固定式貴一些。在使用中由于是臨時測量，管徑、管材也不固定。除正確輸入各種數據外，要保證上、下游直管段。探頭安裝也很重要，從實際經驗看，300mm以上管道用“V”法很難找到信號，當然如果能找到信號且信號強又穩定用“V”法更好。“V”法安裝較之“Z”法安裝對直管段的要求要短得多。

（2）固定式超聲波流量計。

固定式又分為外夾式、插入式、管段式三種。①外夾式超聲流量計。早期的流量計都為外夾式，大家較熟悉，也是應用最廣泛的超聲波流量計。但此種流量計最大的缺點是：不能用在水泥管上。②插入式超聲流量計。此種流量計是利用專用管道開孔工具在管壁上開一小孔，利用管箍（或夾板）把換能器插入管道內，直接與水接觸，其安裝測量不受限制，其信號的發射，接收只經過水介質，信號強且穩定。缺點：大管道探頭安裝（特別是外壁粗糙的管道）不易精確定位，埋在地下多年的老管道（因生產工藝、廠家等諸多因素）管壁厚度、內徑不能準確確定，是影響測量精度的主要原因之一。③管段式超聲波流量計。某些管道因材質疏、導聲不良或銹蝕嚴重，襯里和管壁有間隙等原因、造成超聲波信號衰減嚴重，用外夾式超聲流量計無法正常測量時，可用管段式（又稱滿管式）超聲流量計。它是把換能器與一段標準的短管制成一體，出廠時經過逐臺標定的流量計，精度可以達到0.5級，主要用于計量數據較高的地方。注意：一定要在保證上、下游直管段的情況下才能確保其精度。缺點：一次性投入較大，且必須斷流安裝。

4．多聲道流量計注意事項。

以上介紹了幾種常用單聲道流量計多屬于國產類型。近幾年又出現了雙聲道、四聲道等多聲道超聲波流量計，多聲道流量計對提高測量精度有很大作用，此類多屬進口流量計（國內個別廠家也生產），但價格很高，如果資金充足，計量精度要求高可選此類超聲流量計。購買后，要注意以下幾點：

（1）主機與換能器之間連接電纜（大部分廠家規定在300M以內）要盡量短，且要避免與動力電纜近距并行埋設，或縮短信號電纜后加遠傳顯示裝置。

（2）校零點。調零的目的就是消除安裝零點，確保測量精度。盡可能停水校零點，若確實不能停水校零可采取其它辦法。

（3）逐臺校對。

（4）安裝時保證上、下游的直管段。為了保證計量的準確，各廠家都規定上游要保證不小于10D，下游不小于5D的直管段。

目前廣泛使用的國產單聲道超聲流量標稱精度為1%，但在實際應用中，由于現場管道的內徑、壁厚、圓度都無法精確測量等諸多因素會使測量精度超出標稱精度許多，對不同行業的計量來說，超聲波流量計的實際測量誤差的控制也是不同的。

參考文獻：

[1]袁希光．傳感器技術手冊[M]．北京：國防工業出版社．2006:282．

[2]金鴻章．船舶控制和特種裝置控制系統．哈爾濱船舶工程學院教材．2003：75.