超聲波流量計結構特點及合理選型的分析探討

摘 要：文章探討了超聲波流量計的主要結構特點，以及根據被測量對象的工作條件、測量參數，正確選擇超聲波流量計傳感器的類型，從而確定其安裝位置和安裝方式；并從使用條件、測量精度、被測介質溫度及壓力、傳感器耐溫等級等方面，對超聲波流量計進行選型。

關鍵詞：超聲波流量計；測量方法；傳感器；精度；介質耐溫等級

用聲學測量技術測量流體流量已有幾十年的歷史，特別是20世紀90年代以來，隨著高速數字信號處理技術和先進的壓電陶瓷技術的發展，超聲波流量計在測量液體、氣體和蒸汽等領域取得了突破性進展。超聲波流量計出現的時間不長，但卻得到了廣泛的應用。超聲波流量計可以用許多方法來實現，目前，最基本、最普遍、最實用的兩種方法是時差法和多普勒法。

時差法：當超聲波在液體中傳播時，順流方向聲波傳播時間小于逆流方向傳播時間，其時間差與流速成正比。這種方法在工業界應用已有30多年的歷史。它具有精度高、可靠性好的特點，除了測量體積流量之外，同時還能導出超聲波在被測流體中的傳播速度。

多普勒法：以物理學中的多普勒效應為理論基礎，發射器向流體發射聲波信號，如果流體中有固體顆粒或是氣泡存在，則會產生散射。當管道內的流體流動時，散射出來的聲波信號頻率和發射的聲波頻率是不一樣的，其頻率差正比于流體中顆粒的運動速度，即流體的速度。這種方法需要流體中含有發射物資，由于在流體中發射物資的發射性能不穩定，到目前為止，這種方法僅能在少數場合得到應用。

1 超聲波流量計的特點

1.1 優勢

超聲波流量計既可以測量液體，也可以測量氣體。還可以測量異相含量不高的雙相流體，如污水、污液等；測量管道的直徑可從幾厘米到幾米，理論上講，管徑上限沒有限制，管道可以是圓形，也可以是方形；無阻流件，超聲波流量計在測量時，不妨礙管道中流體的流動，沒有壓力損失，運行費用低；超聲波流量計可以測量導電或非導電介質，有毒或有腐蝕性介質；超聲波流量計的傳感器可以安裝在管道外部，不與被測介質接觸，因而安裝時不需要將管道截斷，也不需要開孔，只須將傳感器夾裝在管道表面即可，簡單易行，操作方便；所測流量與黏度、溫度、壓力和電導率無關；測量線性度好（時間差正比于流速）；可測量正反向流量；能采用被測介質體積量對流量計進行標定；性能價格比高（對于插入式和外貼式流量計）。

1.2 超聲波流量計也有其不足之處

（1）測量精度不夠聯想，一般為流量的±1.0%左右。若是外夾裝式安裝，則由于管道條件的不確定性，誤差可能還要大一些。若是接觸式安裝，誤差可以到±0.5%，但安裝較為麻煩；（2）不耐高溫，被測介質的溫度不能太高，通常至160℃，最高為200℃；（3）對于中小管道而言，超聲波流量計的價格較高，其技術也較為復雜。

2 超聲波流量傳感器簡介

超聲波流量傳感器分為濕式和干式（夾裝式）兩種。濕式裝在管道內，與液體接觸。干式（夾裝式）夾裝在管段的外壁，不與液體接觸。夾裝式超聲波流量計雖然精確度不高，但安裝方便，常用于流量監控和過程控制，尤其適用于無停車機會的場合。此外，還可以用來作為其它流量計的比對手段，以檢驗在線運行的各種流量計是否準確。夾裝式傳感器通常還需配有安裝夾具和耦合劑，應用極其方便。

3 超聲波流量計的選型

超聲波流量計除了時差法和多普勒法之外，通常還有測量液體和測量氣體之分。現在的生產廠家還針對某種介質開發和制造了專用超聲波流量計，如專門用于測量天然氣的超聲波流量計，專門用于測量火柜氣的超聲波流量計等，無疑，這些開發和制造對使用者來說是非常有利的。一是提供了選型的便利性，二是由于專門開發，綜合考慮了介質的物理特性，因此，可以有效的提高測量的精確度。除此之外，選型還要著重考慮以下幾個因素：

3.1 從被測介質和使用要求方面考慮

液體介質要選擇液體超聲波流量計，氣體介質要選擇氣體超聲波流量計。如果是長期在線測量，應首選管段式或插入式超聲波流量計，如果是短期的或是臨時性的測量或檢驗，就應選擇手持式超聲波流量計。從長遠規劃來講，這樣的選擇可增加測量系統的穩定性和靈活性。

3.2 從測量精度方面考慮

超聲波流量計的精確度差異很大，在傳播時間法超聲波流量計中，大口徑管段式的多聲道流量計，精確度較高，基本誤差一般為±0.5～1.0%R，多聲道超聲波流量計可高達±0.25%R，夾裝式一般為±1.0～3.0%R。而多普勒超聲波流量計，基本誤差一般為±3.0～10%FS，但當固體顆粒含量不變時，精確度也可達±0.5～3.0%FS。

超聲波流量計還有單聲道和多聲道之分，單聲道超聲波流量計測量的是管道橫截面上某一根直徑上的平均速度，是線平均速度，它和整個面上的平均速度是有區別的。多聲道超聲波流量計測量的是管道橫截面上多根直徑上的平均速度，總的平均速度接近面上的平均速度，所以，多聲道超聲波流量計的測量精度比單聲道的要高。

測量液體流量，精度要求不很高，選單聲道超聲波流量計就可以了。而測量氣體的超聲波流量計通常是多聲道的，而且不能用外夾裝方式測量，大多以自帶測量管段為主。不過，目前PANAMETRICS公司已打破常規生產出了夾裝式氣體超聲波流量計，這種新型的流量計可以用來測量空氣、氫氣和天然氣等氣體，其實際應用還未見報道。

氣體超聲波流量計的準確度不僅與流速有關，而且與儀表口徑有關。對于小口徑儀表，由于聲道長度較短，在氣體紅測量聲波傳播時間比較困難，因此小口徑氣體超聲波流量計的精確度難以提高。通常氣體超聲波流量計適用于DN≥100mm的生產裝置、輸氣管線和配氣系統中的計量。用來測量天然氣的超聲波流量計一般是自帶測量管段的。超聲波不能在真空中傳播，超聲波傳播的前提條件是被測氣體至少應具有所規定的最小密度。比如，測量天然氣流量是就需要管道壓力≥0.3MPa（表壓），使密度增大到標準狀況的3倍以上。

3.3 被測介質溫度、壓力的影響

超聲波流量計在測量時，聲波從晶片發出，經過聲楔、管壁，傳到被測流體。如果被測流體的溫度、壓力改變，則聲波在上述的分界面上的折射角和傳播時間也會發生改變，從而使超聲波流量計示值發生變化。但是。在現有的智能超聲波流量計的結構和電路內，都有實時溫度、壓力補償，對流量計的指示影響很小，故可忽略不計。

3.4 傳感器的耐溫等級

傳感器的耐溫等級一般有低、中、高三種，其中高溫傳感器適用的流體溫度可達200℃。隨著科學技術的進步，傳感器的耐溫還將進一步提高。當被測液體為重油、渣油時，由于流體溫度較高，傳感器連同耦合劑都應選高溫型的。

現在的智能超聲波流量計都采用了最先進的數學模式作為設計思想，轉換器采用微處理器和貼片技術，所有功能和運行參數都可由程序加以設置，所有公式均由微處理器自動選擇調整，充分發揮了儀表軟件功能，并采用人機對話方式，不同管道所需的不同參數有按鍵輸入，由軟件自動調整，具有保證儀表安裝到位的指示裝置，從而保住了儀表能長期穩定可靠地工作。

4 超聲波流量計選型優化

4.1 超聲波流量計有兩種主要測量方法，選擇原則為：準確度要求較高，被測介質較潔凈，應選用時差法；多普勒法適用于含雜質的渾濁介質（流體中必須要有散射物資），但準確度較低。上述兩種測量方法適用的介質詳見表1。

4.2 時差法超聲波流量計的被測流體應清潔、滿管、單相，所含懸浮顆粒、氣泡不能超過儀表允許值。而多普勒超聲波流量計則相反，流體應有一定數量的顆粒或氣泡的離散體，否則聲波無法散射，儀表會沒有信號，但臟污太重，也會使聲波無法透過。

4.3 對于外夾式安裝的超聲波流量計，要知道確切的管道外徑、壁厚、材質以及襯里等情況，管道內壁不應銹蝕、結垢、凸凹不平。管道外表面應去保溫層，去漆去繡，涂勻耦合劑，不能有空隙，以免聲波在固、氣界面發生折射，無法傳到被測流體。雖然外夾裝式超聲波流量計使用方便靈活，然而現場使用的實際測量精度，常因工作疏忽，傳感器安裝距離及流通面積等測量的誤差而造成精度下降。當然，不正確的安裝甚至會使儀表完全不能工作。

4.4 超聲波流量計的選型是一項比較復雜的工作，它涉及傳感器類型、聲道設置方式、轉換器及其附件的選用，現場安裝設計及配套器材的準備，最好是設計院、用戶和生產廠家三方面技術人員密切配合，協商解決。

總之，超聲波流量計和電磁流量計同為非接觸式儀表，測量管中無障礙物，壓力損失小。如果說在測量導電性液體方面，電磁流量計占主導地位，那么在測量非導電性液體方面，電磁流量計就無能為力了，而超聲波流量計應用的領域比電磁流量計要廣泛的多，它可測量非導電性流體，如油品、氣體等，因此，超聲波流量計是一種大有發展前途的流量測量儀表。

參考文獻

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作者簡介：張棟（1970-），男，內蒙古人，畢業華北電力大學，工學學士，工程碩士，高級工程師，從事電廠專業技術管理工作。

張宏武（1972，7-），男，漢族，高級工程師，研究生學歷，主要從事火電廠熱控專業技術研究及管理工作。