超聲波流量計的應用研究

蘇菲

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

超聲波流量計（Ultrasonic Flowmeter）是通過檢測流體流動時對超聲波（超聲脈沖）的作用，以測量體積流量的儀表。超聲波流量計具有如下主要特點：被測流體中不插入任何元件，對流速無影響，也沒有壓力損失；能用于任何液體，特別是具有高黏度、強腐蝕，非導電性等性能的液體的流量測量，也能測量氣體的流量；對于大口徑管道的流量測量，不會因管徑大而增加投資；量程比較寬，可達5∶1；輸出與流量之間呈線性等。

由于這些獨特的優點，超聲波流量計的發展非常迅速，已經成為常用的流量計之一，其應用領域日益擴大，具有相當好的發展前景。

超聲波流量計的檢測原理包括兩種：時差法和多普勒法。目前，市場上最常用的超聲波流量計為時差法超聲波流量計。多普勒法超聲波流量計由于對被測介質要求較高，存在一定的局限性。下面就分別介紹這兩種超聲波流量計的檢測原理與選型應用。

1 時差法超聲波流量計的工作原理

如圖1所示，為管道式安裝的超聲波流量計測量時的示意圖，可以清楚的表示出超聲波在傳感器探頭A和B之間的管道內傳播的簡化幾何關系。其中，超聲波傳播的聲道與管道的軸線間夾角為β，管徑為D。

超聲波穿過管道如同渡船過河流，如果管道內沒有液體流動，超聲波將以相同的速度向兩個方向傳播。當管道中的流體流速不為零時，沿流動方向順流傳播的超聲波將加快速度，而逆流傳播的超聲波將變緩慢。因此，相對于沒有流體流動的情況，當管道中存在流體流動時，順流傳播的時間tD將縮短，逆流傳播的時間tU將增長。根據這兩個傳播時間差，就可以計算出管道中流體流速[1]。這就是時差法超聲波流量計的基本測量原理。

圖1 時差法超聲波流量計測量示意圖

在圖1中，有下面的關系成立：

將以上式（1）和式（2）聯立并解之，可得：

式中 L — 超聲波在還能器之間的傳播路徑長度，m；

X — 聲道長度在管軸線的平行線上的投影長度，m；

tD，tU— 超聲波順流傳播時間和逆流傳播時間，s；

C — 超聲波在靜止流體中的傳播速度，m/s；

Vm— 流體通過換能器之間聲道上的平均流速，m/s。

其實，式（3）中計算得到的流速還只是沿聲道傳播方向的流體速度的平均值。而用戶想知道的是管道橫截面上的平均流速V。由Vm計算V，一般會引入一個速度分布校準系數Kc，即可得：

式中 V — 管道橫截面上的平均流速，m/s；

Vm— 流體通過換能器之間聲道上的平均流速，m/s。

Kc — 速度分布校準系數。

Kc的數值主要取決于流體的雷諾數。如果聲道在通過管道軸線的平面內，則由式（5）給出Kc的一個近似值：

式中 ReD— 流體的雷諾數；

對于充分發展的紊流，如果聲道不在通過管道軸線的平面內（即傾斜的弦線），這Kc系數及它與雷諾數的關系都將不同。

2 多普勒法超聲波流量計工作原理

多普勒（效應）法是利用聲學多普勒原理確定流體流量的。多普勒效應是當聲源和目標之間有相對運動時，會引起聲波在頻率上的變化。這種頻率變化正比于運動的目標和靜止的發射換能器之間的相對速度[1]。圖2是多普勒流量計測量時的示意圖。

圖2 多普勒法超聲波流量計測量示意圖

如圖2所示，超聲波流量計的傳感器探頭A和B安裝在管道外，其中A為發射探頭，B為接受探頭。A向流體發出頻率為fA的連續超聲波，經照射域內液體中散射體懸浮顆粒或氣泡散射，散射的超聲波產生多普勒頻移fd，探頭B接收到頻率為fB的超聲波，可知：

式中 V — 散射體運動的速度，m/s；

C — 超聲波在靜止流體中的傳播速度，m/s；

θ — 聲道角。

由于液體的聲速為1 500 m/s左右[2]，被測流速僅僅為每秒數米，即C遠遠大于V，由此式（6）可以簡化為：

多普勒頻移fd正比于散射體流動速度，即：

由式（8）可知，

多普勒超聲波流量計就是通過以上原理測量管道中流體流速的。

3 超聲波流量計的比較與選型

時差式超聲波流量計作為目前生產最多、應用范圍最廣泛的超聲波流量計，它主要用來測量較為清潔的液體和氣體流量，當固體懸浮顆粒較多時，會導致超聲信號嚴重衰減而不能測量。因此，其首先在自來水公司和工業用水領域，得到廣泛應用[3]。隨著超聲波流量檢測技術的不斷發展，它也可以測量雜質含量不高的均勻流體，如：污水等介質的流量，而且精度較高。有關顆粒含量和顆粒大小的限制，視不同廠家技術略有區別，通常滿足雜質含量小于10 g/L，粒徑小于1 mm的均勻流體都能獲得良好的應用。實際應用表明，選用時差式超聲波流量計，對一般流體的測量都可以達到滿意的效果。

目前，市場上比較常見的時差法超聲波流量計又可分為如下三大類 ：夾裝式超聲波流量計，插入式（濕式）超聲波流量計和整體式超聲波流量計。夾裝式超聲波流量計，由于夾裝在管道外，不會阻礙管道內介質流動，因此不會帶來其它原理測量流量計那樣的壓損，而且夾裝式超聲波流量計一般沒有部件會造成積聚或者污染，也沒有運動部件可被磨損，故基本無需維護或極少維護，應用非常廣泛。插入式（濕式）超聲波流量計主要應用于高濕、高壓液體和氣體的流量測量，其主要特點是適用于很寬的流速與管徑范圍，高精度，測量無偏移，耐腐蝕，但安裝通常比較復雜，難度較高，如安裝時不夠精確或處理不當可能導致影響測量的精度和可靠性。整體式超聲波流量計，顧名思義，這類超聲波流量計所有部件已預先安裝，在流量計出廠前，在工廠內就集成固化傳感器和傳感器安裝短管，完成測試，因此，流量計運送到現場后，安裝非常快速簡便，使用螺栓將管道和流量計帶來的安裝短管兩端進行法蘭連接即可。整體式超聲波流量計的最大特點就是安裝簡單方便，高精度，且可以測量雙向流，但價格偏高。對于大口徑管道流量測量，整體式超聲波流量計還能提供雙通道的配置，即兩路過直徑的聲通道，每個通道都會測到一個流量值，然后取平均值，這樣可以大大提高測量精度[4]。

而多譜勒式超聲波流量計，只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆粒或氣泡的流體，如：工廠排放液、未處理的污水、雜質含量穩定的生產裝置液體介質等。尤其注意的是，它對被測介質要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時雜質含量要相對穩定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對被測介質的要求也不一樣。因此，選擇此類超聲波流量計既要對被測介質特性有所認識，也要對所選用的超聲波流量計的性能、精度及其對被測介質的要求有深入的了解。多普勒法超聲波流量計一般不適用于清潔液體，除非液體中引入散射體或者擾動程度大到能獲得反射信號[3]。由此可知，多普勒式超聲波流量計對被測介質要求較高，在選型應用上存在局限性，已淡出超聲波流量計的主流市場。

另外，超聲波流量計的精確程度差異很大。時差法超聲波流量計中，整體式超聲波流量計，精確度較高，基本誤差一般可達±（0.5～1）% R，也有的高達±0.15% R；夾裝式超聲波流量計精度可達±（1 ～3）% R；多普勒法超聲波流量計，一般可達±（3 ～10）% FS，只有當固體粒子含量基本不變時，才可達±（0.5～3）% FS。

由上可知，時差法超聲波流量計是目前主流應用的超聲波流量計，多普勒式超聲波流量計應用范圍較小。在工程設計中，對于超聲波流量計的選用需要根據被測流體本身的特性進行正確的選擇，這樣才能使其發揮作用。

通常情況下，在測量清潔程度較高的液體流量時，時差法超聲波流量計無疑是首選。而對于測量含有較多固體懸浮顆粒的重油，在早期，時差法超聲波流量計由于超聲信號被嚴重衰減而不能測量，只能考慮采用多普勒法超聲波流量計，盡管其測量效果難以保證。但隨著技術的不斷進步，這幾年，某些時差法超聲波流量計的制造廠采用了其獨特的、受專利保護的聲信號編碼技術，從而極大的提高了信噪比，這樣就可以將時差法超聲波流量計的優點延伸至更加苛刻的應用中，為眾多含有氣泡，液滴或夾帶固體顆粒等傳統時差法無法測量的液體、兩相流等提供了精確、無漂的測量。這就使得時差法超聲波流量計的應用更加廣泛，甚至替代多普勒法超聲波流量計，成為目前市場上超聲波流量計的不二之選。

綜上所述，對于超聲波流量計的選型，首先應該針對被測流體工況介質特性進行分析，初步選型判斷，但涉及到每個廠家不同技術特點的產品，做為工程設計人員還應該進行綜合判斷，同時，還要考慮項目的統一性，價格因素等，最終選取合適的流量計類型。

4 超聲波流量計的應用

通過以上分析，相信我們已經能夠對于各種類型的超聲波流量計作出正確選型，而這也是超聲波流量計能夠正常工作的基礎。如果選型不當，會產生流量無法測量、測量誤差大或信號不穩定等問題。除對超聲波流量計進行正確選型外，還應注意其安裝、調校、維護等方面的問題，才能保證穩定運行。

傳感器探頭安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作的主要原因。安裝傳感器探頭需要考慮的方面主要是以下兩點：安裝位置的確定和安裝方式的選擇。

傳感器探頭的安裝位置，首先要保證有足夠的上、下游直管段，其次要注意傳感器探頭的安裝位置要盡量避開有變頻調速囂、電焊機等信號干擾源的場合。超聲波流量計的直管段要求一般為：滿足直管段前10D后5D以及離泵30D的距離。(D為管道直徑)

在探頭的安裝方式上，根據時差法超聲波流量計的三大類型，主要有夾裝式、插入式和整體法蘭式。插入式安裝方式，通常需要在測量管道上開孔并焊接安裝管嘴（凸臺），超聲波探頭通過安裝套件插入管嘴（凸臺）內，安裝套件以螺紋、承插焊或法蘭連接方式與管道上的管嘴（凸臺）連接。這種方式對安裝管嘴（凸臺）的高度、位置都有要求，一般需要流量計廠家現場指導安裝。整體法蘭式安裝最為簡單，只需將管道和整體式超聲波流量計帶來的安裝管用螺栓將法蘭連接即可。應用最為廣泛的夾裝式安裝方式，除適用于夾裝式時差法超聲波流量計外，還可適用于多譜勒式超聲波流量計。夾裝式又可分為以下三類：對夾式、V方式和Z方式，如圖3所示。多譜勒式超聲波流量計采用對夾式安裝方式，時差式超聲波流量計采用V方式和Z方式，通常情況下，管徑小于300 mm時，采用V方式安裝， 管徑大于200 mm時，采用Z方式安裝。對于即可以用V方式安裝又可以Z方式安裝的換能器，盡量選用Z方式。實踐表明，Z方式安裝的換能器超聲波信號強度高，測量的穩定性也好[3]。

圖3 超聲波流量計傳感器探頭夾裝式安裝方式

在實際的工程應用中，如使用到較多的在線安裝超聲波流量計，通常可以配備一臺便攜式超聲波流量計，用于核校現場儀表的測量結果。這樣既可以對每一臺新裝的超聲波流量計在安裝調試時進行核校，確保選位好、測量準。還可以在裝置運行過程中，對在線運行的超聲波流量計發生流量突變的情況時，可以利用配備的便攜式超聲波流量計進行及時核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發生故障還是流量確實發生了變化[5]。

另外，定期維護對超聲波流量計的長期穩定運行也有著至關重要的作用。與其他流量儀表相比，超聲波流量計的維護量是比較小的。對于夾裝式超聲波流量計，安裝以后無壓力損失，無潛在泄露，只需定期檢查傳感器探頭是否松動，與管道之間的粘合劑是否良好即可。對于插入式（濕式）超聲波流量計，要定期清理探頭上沉積的雜質、水垢等，并注意有無漏出現象。如果是整體式超聲波流量計，要檢查流量計與管道之間的法蘭連接是否良好，并注意現場溫度和濕度對其電子部件的影響等。

5 結束語

近幾年來，超聲波流量計的技術不斷創新，銷量不斷上升，發展迅速。隨著化工、石化、煤化工和天然氣等流程工業的強勢發展，超聲波流量計因有其獨特的優點，在這些領域將得到廣泛的應用。因此，在工程設計中，超聲波流量計的正確選用是極為重要的，必須引起重視。只有正確合理的進行選型、安裝、維護，才能使其在實際應用中發揮應有的作用。

[1] 周人，何衍慶.流量測量和控制實用手冊[M].北京：化學工業出版社，2013, 6.

[2] 王森，紀綱.儀表常用數據手冊[M].第二版，北京：化學工業出版社，2006.

[3] 紀綱， 紀波峰.流量測量系統遠程診斷集錦[M].北京：化學出版社，2012, 8.

[4] GE超聲波流量計樣本[Z].

[5] 陸德名，張振基，黃布余.石油化工自動控制設計手冊[M].第三版，北京：化學工業出版社，2009.