多普勒超聲流量計的研究與應用

陳芙蓉，裴 銳,2

（1.沈陽計量測試院，沈陽 110179；2．沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870）

0 引言

多普勒超聲波流量計可用于檢測多相流介質，主要由變送器和傳感器單元組成。變送器主要完成超聲信號的發射和接收，以及流量計算、顯示輸出等功能，由傳感器進行信號的能量轉換。其采用外夾式超聲波測量方法，安裝簡單（夾抱在工藝管道上，無需停車），無磨損，可在線維護（幾乎不需要維護），適用于不同管徑，可輸出瞬時流速、瞬時流量、總流量，界面直觀，操作簡便。其采用4mA ～20mA 隔離電流輸出，RS-485 現場總線接口，高、低流量報警（兩路開關量），適用于鋼鐵、硬質塑料等硬質管材，可以對多種管徑、壁厚和管內含有懸浮固體顆?；驓馀莸亩嗔黧w進行測量，適用于礦山、油田、冶金、化工、煉油、造紙、食品、城市污水處理廠及環保監測等行業，適用于城市排水、工業廢水、生活污水、泥漿、紙漿、油水混合液等流量計量[1-4]。

1 工作原理

當流體中含有懸浮粒子時，粒子將隨著流體一起運動。當一束頻率為f 的連續超聲波沿著與流速成θ 角的方向傳播時，則粒子散射的超聲波頻率fs和f 之間將服從多普勒關系。在此理論基礎上，可通過計算頻率差值得到超聲波流量。如圖1 所示。

圖1 多普勒原理圖Fig.1 Doppler schematic diagram

通過流量計的信號處理系統，可得到介質流速為：

相應的管道信息為已知條件，上位機通過一定的算法，可容易得出管道內的瞬時流量為：

式（2）中：Q 為瞬時流量；V 為介質速度；Rn為修正系數；D為管徑大小。

多普勒流量計的基本工作原理是建立在多普勒效應的基礎上，根據物理學上的多普勒效應，發射信號和接收信號由于相對運動而產生的頻率變化，變化的大小與兩物體之間的相對速度有一定的邏輯聯系，一般呈現正相關。超聲多普勒流量計在測定時，信號聲源往往是超聲波發射器，聲源與流體顆粒之間發生相對位移，進而發生多普勒頻移。該頻移大小與管道內的介質流速正相關，根據頻差可以計算出流速，進而得到管道內介質流量。多普勒效應的超聲流量計的電路主要包括驅動換能器和接收器兩部分，驅動頻率可調的換能器驅動電路實現對換能器的工作驅動。換能器受到激勵后發出超聲波信號，經耦合劑耦合進入管道遇到顆粒等流體會發生折射和散射。接收器采集返回的信號，并轉換為微弱的電信號。一般電路設計包括前置運放放大器、中心頻率可調的FIR 帶通濾波器、鎖相環放大器、信號整形調理電路等，其中FIR 帶通濾波器的中心頻率由MCU 動態調整，根據現場不同換能器及流速范圍設置不同的中心頻率?；夭ㄐ盘柦涍^放大濾波，鎖相放大，與參考基準信號相乘的方波信號，MCU 定時器采集方波的實時頻率，LCD 本地顯示，RS485 輸出至后端儀表。

2 安裝應用

2.1 安裝步驟

選取測量區域內充滿流體代表性介質的位置。該位置應光滑、無焊點，打磨光滑該區域，用喉箍固定護罩底座；將傳感器測量面涂抹耦合劑（或潤滑油），確保傳感器與管壁貼合后，傳感器測量端平面與管壁的弧面空間內充滿上述耦合物質；用黑色軋帶頭部，從上而下穿過護罩底座的傳感器固定栓1，然后穿過傳感器頂部的兩個固定孔（注意傳感器方向，射頻線接口靠近防水接頭），然后從下而上穿過傳感器固定栓2，最后把黑色軋帶扎緊。固定后，注意傳感器管道方向的中心線與管道表面充分貼合，而且傳感器較穩定。完成固定后，連接射頻線并擰緊防水接頭，最后安裝密封圈并用螺絲固定護罩頂蓋。傳感器安裝簡易示意圖如圖2 所示。

圖2 傳感器安裝簡易示意圖Fig.2 Simple diagram of sensor installation

圖3 現場配置參數圖Fig.3 Configuration parameter diagram

換能器材料是用來放置壓電陶瓷的，其材料要求聲波傳輸時的損耗小，且現場安裝易于與管道外壁接觸耦合。有機玻璃聲楔材料，具有硬度高，傳聲性能好的優點，是目前應用最廣泛的材料。

2.2 安裝要求

安裝位置的管道需要充滿待測介質，為保證測量精度，確保安裝位置滿足最小直管段要求，傳感器安裝位置應清潔、光滑、無焊點，不可將傳感器安裝在水平管道的頂部或底部，安裝位置應避免強烈震動[5-8]。

2.2.1 整體位置要求

水平或垂直流向管道，優先選擇管道底部或向上的位置安裝，避免在管道最高點或向下位置安裝。在開口排放管道時，設備應安裝在管道的較低處，不可安裝于工藝管道的末端排空區間內。

2.2.2 直管段長度要求

最優長度：上游直管段要求20 倍于管道公稱直徑，下游直管段要求10 倍于管道公稱直徑?；鹃L度：至少滿足上游直管段10 倍于管道公稱直徑，下游直管段25 倍于管道公稱直徑。

2.2.3 安裝角度要求

水平管道時，優先安裝在水平位置（與豎直方向成90°）。若安裝條件不滿足（水平），則考慮斜上45°與斜下45°夾角內（與豎直方向的45°～135°內）。被檢測管道底部有沉積介質時，安裝位置推薦水平與斜上45°夾角范圍內，其它情況推薦水平與斜下45°夾角范圍內，豎直管道可根據現場情況選擇相應安裝位置。

2.2.4 泵送管道要求

在泵后安裝時，安裝位置距泵的出口距離管徑規格DN50 ～DN300 時需要≥10m；管徑規格DN300 ～DN1000時需要≥30 倍管道公稱直徑。

2.2.5 閥門要求

為了避免管道不滿管導致設備測量失效，要求在設備的上游禁止安裝調節閥。如在下游安裝調節閥，則最小距離必須大于5 倍管道公稱直徑。

3 參數配置

系統設置包括：累積流量單位（m3、L、GAL）、流量單位（m3/h、min、s）和流速單位（m/s、ft/s）。

參數設置包括：管道信息（管道材質、管道OD、管道ID 和襯里TH）、流體狀態（粘度系數B、流量上限、流量下限和平滑時間）、平均加權和標尺因子。權限管理包括用戶權限和管理員權限，設備操作包括流量清空、語言選擇和恢復出廠設置。

儀表上電后，將進入初始化界面，一段時間后自動轉入流量測量狀態，即進入流量顯示界面。該界面顯示測量的瞬時流量、流速以及累計流量數據。主界面分別顯示：①儀表型號；②體積流量；③信號強度（dBm）；④累積流量；⑤當前流速；⑥鍵盤鎖定標志。

具體管徑材質選擇結合現場需求以及附錄聲速表，設置不同材質對應的聲速值，具體參數如下：

管道材質：不同材質對應的聲速值，默認3600；管道外徑OD：根據現場管道外徑設置，默認320；管道內徑ID：根據現場實際管道內徑，默認260；流量上限：現場實際流量進行設置，默認5000；流量下限：現場實際流量進行設置，默認0；平均加權1：檢測的流量值平滑個數，默認200；平均加權：對檢測的頻率值平滑個數，默認50；標尺因子：流量校準標尺，默認1。

表1 管道材質聲速表Fig.1 Pipe material sound velocity table

4 結論

本文介紹了基于頻移測量多普勒超聲流量計的工作原理，現場流量計的安裝步驟、安裝要求及參數配置，并闡述了不同管道材質的聲速和介質粘度對多普勒流量測量的影響。多普勒超聲波流量計可用于檢測多相流介質，適用于城市排水、工業廢水、生活污水、泥漿、紙漿、油水混合液等流量計量，彌補常規流量計無法測量的不足。