超聲波流量計的原理及應用

計林佑

【摘 要】超聲波流量計是一種被廣泛應用的非接觸式流量測量裝置，因其可以使用外夾式安裝，屬于無阻礙流量計，在大口徑流量測量方面及其方便，是用于解決流量測量困難問題的一類流量計。它適用于測量多種管徑及多種介質，尤其是在測量具有腐蝕性和放射性，及易燃易爆介質方面跟其他流量測量裝置相比有著極大的優勢。超聲波流量計安裝使用和維護都非常方便，且測量準確度很高，這使得超聲波流量計成為發展迅速的一類流量計之一。本文對超聲波流量計的測量原理及安裝使用注意事項進行了詳細介紹。

【關鍵詞】流量測量；超聲波流量計

0.引言

超聲波流量計在石油、電力、冶金、化工、給排水等領域應用非常廣泛，是最近十幾年開始應用的一種非接觸式流量測量儀表，其配套使用的傳感器是利用超聲波的特性開發研制的專用傳感器，適用于管道上不方便安裝節流式傳統流量計，以及大管徑流量的測量。超聲波流量計通過采用先進的多脈沖技術和數字化處理技術以及糾錯技術，使之與傳統流量計如孔板、噴嘴等節流測量裝置相比具有優勢，屬于無阻力流量計，具有運行穩定、安裝簡單、維護量小等優點。

1.超聲波流量計原理及特點

（一）測量原理

（1）速度差法

超聲波流量計通常使用計算速度差的方法測出流體的流速，再根據提前設置的參數換算成流量。超聲波流量計由一對探頭和一個二次儀表組成。探頭安裝在管道上游和下游共兩個，當超聲波在流動的介質中傳播時，超聲波的傳播速度受流體的影響而加減速。具體的表現為上游探頭發射的超聲波信號，經流體加速后被下游探頭接收到，此傳播時間被二次儀表記錄，設為Tup。反過來，下游探頭發射的超聲波信號，經流體減速后被上游探頭接收到，此傳播時間也被二次儀表記錄，設為Tdown。經二次表內預設的參數計算得出介質的流速，再根據管徑進行計算，從而得出流量值進行遠傳和就地顯示。

按照規定的安裝方式固定好探頭后，θ、M、D等均為已知，Tup、Tdown通過二次表測量得出，因此可以計算出流體的傳播速度。簡單的說，就是超聲波的傳播速度在靜止的介質中為已知的固定值，當介質流動時，受流體的影響超聲波的傳播速度將改變，與靜止介質中超聲波速度相對比就可得出流體的流速。再根據在二次表預設的管道內徑計算出流量：

（2）相差法

還有一種叫做相差法測量，當超聲波探頭發射出連續超聲波脈沖或周期較長的脈沖列時，在順流和逆流的情況下所接收到的信號之間將產生相位差ΔO，即

ΔO=wΔt=2wLu/cc

w為超聲波角頻率

當測得ΔO時即可求出u，進而求得流量Q。由于速度差法所測量的Δt太過微小，使用相差法測量相位差ΔO代替了測量微小的時差Δt，可以有效的提高測量精度。

（3）頻差法

頻差法是時差法和相差法的發展，主要是為了消除聲速C的影響。由公式

v=L△f/2

可知，當兩個超聲波探頭固定好安裝位置后，只要測量出△f就可得到流速，并且此法與聲速無關。

（二）特點

其他類型的大口徑流量計制造工藝復雜，運輸不便，安裝要求高，且價格昂貴，而超聲波流量計完全避免了此種情況，其安裝簡單，不會造成節流損失而大受歡迎，主要的特點有以下幾點：

（1）儀表測量信號穩定、抗干擾能力強；

（2）與流體接觸少甚至無接觸，不容易損壞，維護少，壽命長；

（3）電路更優化、集成度高；

（4）功耗低、可靠性高；

（5）可計算瞬時值、累積值等多種信號，4-20mA標準信號輸出；

（6）操作簡單，經濟方便，測量精度高。

2.超聲波流量計的分類

（1）插入式超聲波流量計：可以在線帶壓更換探頭，性能優越，后期幾乎免維護。但安裝時需要專門的開孔工具，安裝難度較大，一旦鉆孔位置出現偏差，會造成無法接收信號而不能測量。

（2）管段式超聲波流量計：在主管段上使用法蘭連接，需在系統停運后實施。

（3）外夾式超聲流量計：采用專用的耦合劑安裝，安裝時不影響系統運行，不會對系統產生任何影響。

（4）便攜式超聲波流量計：內置可充電電池，攜帶方便，可在野外惡劣環境中使用，適合用于短時間的比對測量。

（5）手持式超聲波流量計：與便攜式超聲波流量計相似，重量輕，內置可充電電池，手持使用。

（6）防爆型超聲波流量計：用于可能存在可燃氣體的環境測量流體流量，為防爆本安型。

3.超聲波流量計的安裝應用

按超聲波流量計的類別不同，安裝方式各不相同，以外夾式超聲波流量計為例，在安裝前應做好相關準備工作。

（1）了解管道及系統參數。如管道內徑和外徑，管道材質，管道是否有內襯，以及管道內為何種介質。這些參數用于二次表設置，計算探頭安裝距離、流體速度，進而計算瞬時流量。

（2）選擇安裝位置。要符合流量計直管段安裝要求，即“前十后五”，流量計上游至少有十倍內徑距離的直管段，下游至少有五倍內徑距離的直管段，且距離上游水泵應有三十倍內徑距離，這些都是為了保證管道內為穩定流動的介質，盡量消除壓力波動的影響，否則將出現測量波動大的情況。

（3）對于安裝地點的選擇要盡量避免強磁場和振動的干擾，且安裝地點寬敞便于維護人員操作；

（4）管道內外材質、壁厚應均勻，應充滿介質，不能存在不滿管或夾雜氣泡和沉淀物的情況，否則影響超聲波的傳播；

（5）在二次表輸入提前獲取的管徑、內襯等參數，設置好安裝方式后，由二次表計算得出兩個探頭的安裝距離，需要特別注意的是二次表計算的安裝距離為兩個探頭內側面間的距離；

（6）確定好探頭的位置后，檢查管道表面是否有保溫材料、鐵銹或凹凸不平，應在安裝點用砂輪機或砂紙將管道表面打磨光滑，以防干擾信號的傳播；

（7）將探頭接觸管壁的一面均勻涂滿專用耦合劑，再用不銹鋼卡箍將探頭固定到打磨好的管道上，應注意探頭出線部分向兩側，并分清上游側探頭和下游側探頭，分別接入二次表相應端子。最后觀察二次表的信號強度和傳輸時間比，一般信號質量應大于60，以質量達到90以上為佳，傳輸時間比一般為100±3%，如不符合要求，可以微調探頭位置，否則測量不準確。

需要注意的是，為避免管道上部空氣和下部沉淀物的影響，探頭均應安裝在水平中心線±45°范圍，盡量選擇在水平中心線位置，嚴禁安裝在管道正上方和正下方。如瞬時流量波動較大，則可能存在紊流致使測量波動，可考慮更換探頭測量點，如無改善，適當增加阻尼時間。

外夾式超聲波流量計常見的安裝方式主要有V法和Z法兩種：

V法安裝：兩個探頭安裝在水平同一側，比如上游的探頭發射超聲波經管壁反射后被下游側探頭接收信號。這是最常用、最標準的一種安裝方式，可測量管徑在DN15mm-DN400mm的流體介質。

Z法安裝：兩個探頭安裝在水平兩側，比如上游探頭發射的超聲波直接被下游探頭接收。這也是一種常見的安裝方式，可測量管徑在DN100mm-DN6000mm的流體介質，由于超聲波沒有經過反射，信號的衰減最小。

此外還有N法等不太常見的安裝方式，通過延長傳輸距離提高精確度，但超聲波衰減較大。

插入式超聲波流量計和外夾式超聲波流量計安裝要求一致，但由于需要開孔的原因，對安裝距離的測量一定要準確，以及開孔后的法蘭密封要保證不泄露。

管段式超聲波流量計使用法蘭與主管道進行連接，由于探頭已安裝好，不需考慮安裝距離，只需注意直管段的要求即可。

4.超聲波流量計的維護

（1）定期檢查探頭信號的質量，為保證準確度，應保證在90以上；

（2）定期檢查專用耦合劑，如發現干裂，應重新安裝，避免探頭與管壁間存在空隙；

（3）定期?檢查外夾式探頭是否有松動現象；

（4）如果管道壓力波動頻繁，將會導致測量值波動較大，可在二次表內設置一定的阻尼時間。

5.結束語

從以上的介紹可以知道，超聲波流量計使用簡單、精度高、易于檢修維護，因此其應用推廣較快，在電力、石油、化工等行業得到了廣泛的應用。

（作者單位：中海油珠海天然氣發電有限公司）