超声波流量计的原理及应用
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【摘 要】超声波流量计是一种被广泛应用的非接触式流量测量装置，因其可以使用外夹式安装，属于无阻碍流量计，在大口径流量测量方面及其方便，是用于解决流量测量困难问题的一类流量计。它适用于测量多种管径及多种介质，尤其是在测量具有腐蚀性和放射性，及易燃易爆介质方面跟其他流量测量装置相比有着极大的优势。超声波流量计安装使用和维护都非常方便，且测量准确度很高，这使得超声波流量计成为发展迅速的一类流量计之一。本文对超声波流量计的测量原理及安装使用注意事项进行了详细介绍。
【关键词】流量测量；超声波流量计
0.引言
超声波流量计在石油、电力、冶金、化工、给排水等领域应用非常广泛，是最近十几年开始应用的一种非接触式流量测量仪表，其配套使用的传感器是利用超声波的特性开发研制的专用传感器，适用于管道上不方便安装节流式传统流量计，以及大管径流量的测量。超声波流量计通过采用先进的多脉冲技术和数字化处理技术以及纠错技术，使之与传统流量计如孔板、喷嘴等节流测量装置相比具有优势，属于无阻力流量计，具有运行稳定、安装简单、维护量小等优点。
1.超声波流量计原理及特点
（一）测量原理
（1）速度差法
超声波流量计通常使用计算速度差的方法测出流体的流速，再根据提前设置的参数换算成流量。超声波流量计由一对探头和一个二次仪表组成。探头安装在管道上游和下游共两个，当超声波在流动的介质中传播时，超声波的传播速度受流体的影响而加减速。具体的表现为上游探头发射的超声波信号，经流体加速后被下游探头接收到，此传播时间被二次仪表记录，设为Tup。反过来，下游探头发射的超声波信号，经流体减速后被上游探头接收到，此传播时间也被二次仪表记录，设为Tdown。经二次表内预设的参数计算得出介质的流速，再根据管径进行计算，从而得出流量值进行远传和就地显示。
按照规定的安装方式固定好探头后，θ、M、D等均为已知，Tup、Tdown通过二次表测量得出，因此可以计算出流体的传播速度。简单的说，就是超声波的传播速度在静止的介质中为已知的固定值，当介质流动时，受流体的影响超声波的传播速度将改变，与静止介质中超声波速度相对比就可得出流体的流速。再根据在二次表预设的管道内径计算出流量：
（2）相差法
还有一种叫做相差法测量，当超声波探头发射出连续超声波脉冲或周期较长的脉冲列时，在顺流和逆流的情况下所接收到的信号之间将产生相位差ΔO，即
ΔO=wΔt=2wLu/cc
w为超声波角频率
当测得ΔO时即可求出u，进而求得流量Q。由于速度差法所测量的Δt太过微小，使用相差法测量相位差ΔO代替了测量微小的时差Δt，可以有效的提高测量精度。
（3）频差法
频差法是时差法和相差法的发展，主要是为了消除声速C的影响。由公式
v=L△f/2
可知，当两个超声波探头固定好安装位置后，只要测量出△f就可得到流速，并且此法与声速无关。
（二）特点
其他类型的大口径流量计制造工艺复杂，运输不便，安装要求高，且价格昂贵，而超声波流量计完全避免了此种情况，其安装简单，不会造成节流损失而大受欢迎，主要的特点有以下几点：
（1）仪表测量信号稳定、抗干扰能力强；
（2）与流体接触少甚至无接触，不容易损坏，维护少，寿命长；
（3）电路更优化、集成度高；
（4）功耗低、可靠性高；
（5）可计算瞬时值、累积值等多种信号，4-20mA标准信号输出；
（6）操作简单，经济方便，测量精度高。
2.超声波流量计的分类
（1）插入式超声波流量计：可以在线带压更换探头，性能优越，后期几乎免维护。但安装时需要专门的开孔工具，安装难度较大，一旦钻孔位置出现偏差，会造成无法接收信号而不能测量。
（2）管段式超声波流量计：在主管段上使用法兰连接，需在系统停运后实施。
（3）外夹式超声流量计：采用专用的耦合剂安装，安装时不影响系统运行，不会对系统产生任何影响。
（4）便携式超声波流量计：内置可充电电池，携带方便，可在野外恶劣环境中使用，适合用于短时间的比对测量。
（5）手持式超声波流量计：与便携式超声波流量计相似，重量轻，内置可充电电池，手持使用。
（6）防爆型超声波流量计：用于可能存在可燃气体的环境测量流体流量，为防爆本安型。
3.超声波流量计的安装应用
按超声波流量计的类别不同，安装方式各不相同，以外夹式超声波流量计为例，在安装前应做好相关准备工作。
（1）了解管道及系统参数。如管道内径和外径，管道材质，管道是否有内衬，以及管道内为何种介质。这些参数用于二次表设置，计算探头安装距离、流体速度，进而计算瞬时流量。
（2）选择安装位置。要符合流量计直管段安装要求，即“前十后五”，流量计上游至少有十倍内径距离的直管段，下游至少有五倍内径距离的直管段，且距离上游水泵应有三十倍内径距离，这些都是为了保证管道内为稳定流动的介质，尽量消除压力波动的影响，否则将出现测量波动大的情况。
（3）對于安装地点的选择要尽量避免强磁场和振动的干扰，且安装地点宽敞便于维护人员操作；
（4）管道内外材质、壁厚应均匀，应充满介质，不能存在不满管或夹杂气泡和沉淀物的情况，否则影响超声波的传播；
（5）在二次表输入提前获取的管径、内衬等参数，设置好安装方式后，由二次表计算得出两个探头的安装距离，需要特别注意的是二次表计算的安装距离为两个探头内侧面间的距离； （6）确定好探头的位置后，检查管道表面是否有保温材料、铁锈或凹凸不平，应在安装点用砂轮机或砂纸将管道表面打磨光滑，以防干扰信号的传播；
（7）将探头接触管壁的一面均匀涂满专用耦合剂，再用不锈钢卡箍将探头固定到打磨好的管道上，应注意探头出线部分向两侧，并分清上游侧探头和下游侧探头，分别接入二次表相应端子。最后观察二次表的信号强度和传输时间比，一般信号质量应大于60，以质量达到90以上为佳，传输时间比一般为100±3%，如不符合要求，可以微调探头位置，否则测量不准确。
需要注意的是，为避免管道上部空气和下部沉淀物的影响，探头均应安装在水平中心线±45°范围，尽量选择在水平中心线位置，严禁安装在管道正上方和正下方。如瞬时流量波动较大，则可能存在紊流致使测量波动，可考虑更换探头测量点，如无改善，适当增加阻尼时间。
外夹式超声波流量计常见的安装方式主要有V法和Z法两种：
V法安装：两个探头安装在水平同一侧，比如上游的探头发射超声波经管壁反射后被下游侧探头接收信号。这是最常用、最标准的一种安装方式，可测量管径在DN15mm-DN400mm的流体介质。
Z法安装：两个探头安装在水平两侧，比如上游探头发射的超声波直接被下游探头接收。这也是一种常见的安装方式，可测量管径在DN100mm-DN6000mm的流体介质，由于超声波没有经过反射，信号的衰减最小。
此外還有N法等不太常见的安装方式，通过延长传输距离提高精确度，但超声波衰减较大。
插入式超声波流量计和外夹式超声波流量计安装要求一致，但由于需要开孔的原因，对安装距离的测量一定要准确，以及开孔后的法兰密封要保证不泄露。
管段式超声波流量计使用法兰与主管道进行连接，由于探头已安装好，不需考虑安装距离，只需注意直管段的要求即可。
4.超声波流量计的维护
（1）定期检查探头信号的质量，为保证准确度，应保证在90以上；
（2）定期检查专用耦合剂，如发现干裂，应重新安装，避免探头与管壁间存在空隙；
（3）定期?检查外夹式探头是否有松动现象；
（4）如果管道压力波动频繁，将会导致测量值波动较大，可在二次表内设置一定的阻尼时间。
5.结束语
从以上的介绍可以知道，超声波流量计使用简单、精度高、易于检修维护，因此其应用推广较快，在电力、石油、化工等行业得到了广泛的应用。
（作者单位：中海油珠海天然气发电有限公司）
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