超聲波流量計的應用研究

    超聲波流量計（UltrasonicFlowmeter）是通過(guò)檢測流體流動(dòng)時(shí)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(diǎn)：被測流體中不插入任何元件，對流速無(wú)影響，也沒(méi)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(huì )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(xiàn)性等。

    由于這些獨特的優(yōu)點(diǎn)，超聲波流量計的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)成為常用的流量計之一，其應用領(lǐng)域日益擴大，具有相當好的發(fā)展前景。

    超聲波流量計的檢測原理包括兩種：時(shí)差法和多普勒法。目前，市場(chǎng)上最常用的超聲波流量計為時(shí)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(zhì)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(shí)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(shí)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(jiǎn)化幾何關(guān)系。其中，超聲波傳播的聲道與管道的軸線(xiàn)間夾角為β，管徑為D。

    超聲波穿過(guò)管道如同渡船過(guò)河流，如果管道內沒(méi)有液體流動(dòng)，超聲波將以相同的速度向兩個(gè)方向傳播。當管道中的流體流速不為零時(shí)，沿流動(dòng)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(méi)有流體流動(dòng)的情況，當管道中存在流體流動(dòng)時(shí)，順流傳播的時(shí)間t_D將縮短，逆流傳播的時(shí)間t_U將增長(cháng)。根據這兩個(gè)傳播時(shí)間差，就可以計算出管道中流體流速。這就是時(shí)差法超聲波流量計的基本測量原理。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計測量示意圖

    在圖1中，有下面的關(guān)系成立：

        （1）

        （2）

    將以上式（1）和式（2）聯(lián)立并解之，可得：

        （3）

    式中　L—超聲波在還能器之間的傳播路徑長(cháng)度，m；

    X—聲道長(cháng)度在管軸線(xiàn)的平行線(xiàn)上的投影長(cháng)度，m；

    t_D，t_U—超聲波順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間，s；

    C—超聲波在靜止流體中的傳播速度，m/s；

    Vm—流體通過(guò)換能器之間聲道上的平均流速，m/s。

    其實(shí)，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(hù)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(huì )引入一個(gè)速度分布校準系數Kc，即可得：

    V=KcVm�。�4）

    式中　V—管道橫截面上的平均流速，m/s；

    Vm—流體通過(guò)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(guò)管道軸線(xiàn)的平面內，則由式（5）給出Kc的一個(gè)近似值：

        （5）

    式中　Re_D—流體的雷諾數；

    對于充分發(fā)展的紊流，如果聲道不在通過(guò)管道軸線(xiàn)的平面內（即傾斜的弦線(xiàn)），這Kc系數及它與雷諾數的關(guān)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(xué)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(dòng)時(shí)，會(huì )引起聲波在頻率上的變化。這種頻率變化正比于運動(dòng)的目標和靜止的發(fā)射換能器之間的相對速度。圖2是多普勒流量計測量時(shí)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(fā)射探頭，B為接受探頭。A向流體發(fā)出頻率為fA的連續超聲波，經(jīng)照射域內液體中散射體懸浮顆�；驓馀萆⑸�，散射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移f_d，探頭B接收到頻率為f_B的超聲波，可知：

        （6）

    式中　V—散射體運動(dòng)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1500m/s左右，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(jiǎn)化為：

        （7）

    多普勒頻移f_d正比于散射體流動(dòng)速度，即：

        （8）

    由式（8）可知，

        （9）

    多普勒超聲波流量計就是通過(guò)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(shí)差式超聲波流量計作為目前生產(chǎn)最多、應用范圍最廣泛的超聲波流量計，它主要用來(lái)測量較為清潔的液體和氣體流量，當固體懸浮顆粒較多時(shí)，會(huì )導致超聲信號嚴重衰減而不能測量。因此，其首先在自來(lái)水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應用。隨著(zhù)超聲波流量檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，它也可以測量雜質(zhì)含量不高的均勻流體，如：污水等介質(zhì)的流量，而且精度較高。有關(guān)顆粒含量和顆粒大小的限制，視不同廠(chǎng)家技術(shù)略有區別，通常滿(mǎn)足雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm的均勻流體都能獲得良好的應用。實(shí)際應用表明，選用時(shí)差式超聲波流量計，對一般流體的測量都可以達到滿(mǎn)意的效果。

    目前，市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的時(shí)差法超聲波流量計又可分為如下三大類(lèi)：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(huì )阻礙管道內介質(zhì)流動(dòng)，因此不會(huì )帶來(lái)其它原理測量流量計那樣的壓損，而且?jiàn)A裝式超聲波流量計一般沒(méi)有部件會(huì )造成積聚或者污染，也沒(méi)有運動(dòng)部件可被磨損，故基本無(wú)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(diǎn)是適用于很寬的流速與管徑范圍，高精度，測量無(wú)偏移，耐腐蝕，但安裝通常比較復雜，難度較高，如安裝時(shí)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(lèi)超聲波流量計所有部件已預先安裝，在流量計出廠(chǎng)前，在工廠(chǎng)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(chǎng)后，安裝非�？焖俸�(jiǎn)便，使用螺栓將管道和流量計帶來(lái)的安裝短管兩端進(jìn)行法蘭連接即可。整體式超聲波流量計的最大特點(diǎn)就是安裝簡(jiǎn)單方便，高精度，且可以測量雙向流，但價(jià)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(guò)直徑的聲通道，每個(gè)通道都會(huì )測到一個(gè)流量值，然后取平均值，這樣可以大大提高測量精度。

    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�；驓馀莸牧黧w，如：工廠(chǎng)排放液、未處理的污水、雜質(zhì)含量穩定的生產(chǎn)裝置液體介質(zhì)等。尤其注意的是，它對被測介質(zhì)要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時(shí)雜質(zhì)含量要相對穩定，才可以正常測量，而且不同廠(chǎng)家的儀表性能及對被測介質(zhì)的要求也不一樣。因此，選擇此類(lèi)超聲波流量計既要對被測介質(zhì)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(zhì)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(dòng)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(zhì)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(chǎng)。

    另外，超聲波流量計的精確程度差異很大。時(shí)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(shí)，才可達±（0.5~3）%FS。

    由上可知，時(shí)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(jìn)行正確的選擇，這樣才能使其發(fā)揮作用。

    通常情況下，在測量清潔程度較高的液體流量時(shí)，時(shí)差法超聲波流量計無(wú)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(shí)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(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這幾年，某些時(shí)差法超聲波流量計的制造廠(chǎng)采用了其獨特的、受專(zhuān)利保護的聲信號編碼技術(shù)，從而極大的提高了信噪比，這樣就可以將時(shí)差法超聲波流量計的優(yōu)點(diǎn)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(shí)差法無(wú)法測量的液體、兩相流等提供了精確、無(wú)漂的測量。這就使得時(shí)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(chǎng)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(zhì)特性進(jìn)行分析，初步選型判斷，但涉及到每個(gè)廠(chǎng)家不同技術(shù)特點(diǎn)的產(chǎn)品，做為工程設計人員還應該進(jìn)行綜合判斷，同時(shí)，還要考慮項目的統一性，價(jià)格因素等，最終選取合適的流量計類(lèi)型。

    4 超聲波流量計的應用

    通過(guò)以上分析，相信我們已經(jīng)能夠對于各種類(lèi)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(huì )產(chǎn)生流量無(wú)法測量、測量誤差大或信號不穩定等問(wèn)題。除對超聲波流量計進(jìn)行正確選型外，還應注意其安裝、調校、維護等方面的問(wèn)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(diǎn)：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(kāi)有變頻調速?lài)�、電焊機等信號干擾源的場(chǎng)合。超聲波流量計的直管段要求一般為：滿(mǎn)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(shí)差法超聲波流量計的三大類(lèi)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(kāi)孔并焊接安裝管嘴（凸臺），超聲波探頭通過(guò)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(chǎng)家現場(chǎng)指導安裝。整體法蘭式安裝最為簡(jiǎn)單，只需將管道和整體式超聲波流量計帶來(lái)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(shí)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(lèi)：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(shí)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300mm時(shí)，采用V方式安裝，管徑大于200mm時(shí)，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(shí)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。

圖3 超聲波流量計傳感器探頭夾裝式安裝方式

    在實(shí)際的工程應用中，如使用到較多的在線(xiàn)安裝超聲波流量計，通�？梢耘鋫湟慌_便攜式超聲波流量計，用于核�，F場(chǎng)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(shí)進(jìn)行核校，確保選位好、測量準。還可以在裝置運行過(guò)程中，對在線(xiàn)運行的超聲波流量計發(fā)生流量突變的情況時(shí)，可以利用配備的便攜式超聲波流量計進(jìn)行及時(shí)核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實(shí)發(fā)生了變化。

    另外，定期維護對超聲波流量計的長(cháng)期穩定運行也有著(zhù)至關(guān)重要的作用。與其他流量?jì)x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(wú)壓力損失，無(wú)潛在泄露，只需定期檢查傳感器探頭是否松動(dòng)，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(zhì)、水垢等，并注意有無(wú)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(chǎng)溫度和濕度對其電子部件的影響等。

    5 結束語(yǔ)

    近幾年來(lái)，超聲波流量計的技術(shù)不斷創(chuàng )新，銷(xiāo)量不斷上升，發(fā)展迅速。隨著(zhù)化工、石化、煤化工和天然氣等流程工業(yè)的強勢發(fā)展，超聲波流量計因有其獨特的優(yōu)點(diǎn)，在這些領(lǐng)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(jìn)行選型、安裝、維護，才能使其在實(shí)際應用中發(fā)揮應有的作用。