淺談超聲波流量計的應用

李彥林

（日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照276800）

1 超聲波流量計的工作原理

超聲波流量計利用超聲波測量流量有許多種方法，其中典型的方法有時差法、聲循環法、多普勒法。本文主要介紹時差法超聲波流量計的工作原理，超聲波在流體中的傳播速度受到流體流速的影響，在流體順流方向和逆流方向是不一樣的，其傳播時間差和流體的流速成正比。只要測出超聲波在這兩個方向上傳播的時-間差，便可知流體的流速，再乘以管道截面積便可得流體的流量。具體計算公式如下：

超聲波在順流方向傳播時間t1為：

逆流方向傳播的時間t2為：

式中：L——聲程，m；

φ——管軸線與聲道之間的夾角，即聲道角；

c——聲波在靜止流體中的聲速，m/s；

v——流體沿管道軸向的流速，m/s；

超聲波傳播的時間差△t為：

因為c2>>v2cos2φ所以流速v為：

由上可知這時只要測得t1和t2，便可求得流體流速，流體流量。

2 超聲波流量計的結構

超聲波流量計主要由換能器和控制器（變送器）兩部分構成。換能器有兩種，一種是發射換能器，另一種是接收換能器。發射換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發射到被測流體中，接收換能器接收到超聲波信號，通過傳輸線送到控制器（變送器）。控制器（變送器）的作用是將接收到的超聲波信號經電子線路放大并轉換為與被測流體體積流量成正比的電信號，進行顯示和累計計算，還可將信號進行遠傳進入DCS等控制系統。

3 超聲波流量計的選型

為確保流量計正常投運，儀表選型至關重要。超聲波流量計根據換能器的安裝方法不同可分為外夾式超聲波流量計、插入式超聲波流量計和標準管段式超聲波流量計。超聲波流量計的選型主要是根據計量要求選擇適合的流量計。

（1）外夾式超聲波流量計，優點：①外夾式超聲波流量計的換能器安裝在管道外面，不與被測流體直接接觸，不存在換能器腐蝕、粘結等問題；②測量時，在管道內部無任何測量部件，沒有壓力損失，不改變流體的流動狀態；③安裝簡單方便，管道不用切斷，不用開孔，安裝時不用停流；④可以便攜使用，便于對有懷疑的其他流量計進行比對。不足：①對管道條件要求較高，應確定管道材質、管道外徑、壁厚、襯里材質和厚度等；②測量精度相對低一些。

（2）插入式超聲波流量計，優點：①安裝時不用停流，使用專用安裝工具在管道上開孔，換能器直接穿插在孔內；②與外夾式超聲波流量計相比，測量精度較高，不受管道銹蝕、結垢等的影響。不足：①換能器直接與被測流體接觸，易被腐蝕、結晶造成儀表測量不準確。

（3）標準管段式超聲波流量計，把換能器固定安裝在按照設計加工好的管段上，并且換能器直接與被測流體接觸。這種流量計能夠準確控制加工精度，同時可以精確測量管段的幾何尺寸，而且兩個換能器之間只有單一被測介質，所以測量準確度較高，但是，不足是安裝麻煩，需要斷流，割開管道安裝，而且對于大口徑管道定做價格較高，因此除非特殊要求一般不建議選用此種超聲波流量計。

綜上，超聲波流量計在選型時必須綜合考慮準確度、安裝條件、現場環境等，選擇適合的流量計。

4 超聲波流量計的安裝

（1）測量點的選取：①測量點應盡量選擇距離上游10倍直徑、下游5倍直徑以內均勻直管段，以確保流體所需的流速分布；②流量計盡可能水平或垂直安裝，管內必須充滿流體，當換能器安裝在傾斜管道上時，不要裝在上部和底部，以免管道內的氣體或雜質進入測量聲道，應盡可能使換能器處于和水平面成45度角的范圍內；③對于外夾式超聲波流量計，測量點管道內壁不能有過厚結垢層，盡量選擇無結垢的管段且應具有良好的導聲性能；

（2）換能器安裝方式

①V法安裝

適用于管徑較小時，采用V法安裝擴大了聲程長度，增加了順逆向聲波傳播時間；

②Z法安裝

Z法安裝方式一般適用于DN200以上管道，使用Z法安裝時超聲波在管道中直接傳輸，沒有折射，信號衰耗小。

5 超聲波流量計的應用

近年來，由于電子技術的進步，超聲波流量計發展很快，且日益完善，越來越顯示出其優越性。各種超聲波流量計已廣泛應用于工業生產、商業計量和水利檢測等方面，例如，在市政行業的原水、自來水、中水、污水的計量中，超聲波流量計具有大量程比，無壓損的特點，在保證測量準確度的同時提高了官網的輸水效率；在工業冷卻循環水的計量中，超聲波流量計實現了在線不斷流帶壓安裝和在線標定。

6 結束語

綜上所述，超聲波流量計作為流量測量儀表，有其獨特的優點，在很多領域得到了越來越廣泛的應用，特別是智能化超聲波流量計，采用微處理器和程序控制，且帶通訊接口、功能更強、編程方便，因而具有更強的生命力。但是不論其如何發展，如果設計選型及安裝不當，不僅無法發揮其優越性，還會帶來損失。因此，在實際應用中，超聲波流量計的正確選型及安裝是極為重要的兩個環節，必須引起我們的重視。

［1］高魁明.熱工測量儀表[M].2版.冶金出版社,2006.

［2］徐英華,楊有濤.流量及分析儀表[M].中國計量出版社,2008.