超声流量计

1  概述介绍

　　超声流量计和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，它是发展迅速的一类流量计之一。

2  工作原理

　　根据对信号检测的原理，超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

　　1、时差法 测量顺逆传播时传播速度不同引起的时差计算被测流体速度。

　　它采用两个声波发送器(SA和SB)和两个声波接收器（RA和RB）。同一声源的两组声波在SA与RA之间和SB与RB之间分别传送。它们沿着管道安装的位置与管道成θ角(一般θ=45°)（图1）。由于向下游传送的声波被流体加速，而向上游传送的声波被延迟，它们之间的时间差与流速成正比。也可以发送正弦信号测量两组声波之间的相移或发送频率信号测量频率差来实现流速的测量。

　　2、相位差法 测量顺逆传播时传播时由于时差引起的相位差计算速度。

　　它的发送器沿垂直于管道的轴线发送一束声波，由于流体流动的作用，声波束向下游偏移一段距离。偏移距离与流速成正比。

　　3、频差法 测量顺逆传播时传播时的声环频率差。

　　当超声波在不均匀流体中传送时，声波会产生散射。流体与发送器间有相对运动时，发送的声波信号和被流体散射后接收到的信号之间会产生多普勒频移。多普勒频移与流体流速成正比。图2中被测流体的区域位于发射波束与接收到的散射波束的交叉之处。要求波束很窄，使两波束的夹角θ不致受到波束宽度影响。也可只采用一个变换器既作为发送器又作为接收器，这种方式称为单通道式。在单通道多普勒血液流量计中，发送器间隔地发送声脉冲信号，在两个声脉冲间隔的时间中，接收从血管壁和血管内红血球反射回来的声脉冲信号。采用控制线路选择给定距离处的红血球反射信号,通过比较后得到多普勒频移,它与血液流速成正比。在已知血管横截面时可得到血液流量。

3  分类

　　超声流量计可按下述原则来分类。

　　（1）测量原理

　　时差法超声流量计；

　　频差法超声流量计；

　　相差法超声流量计；

　　多普勒超声流量计；

　　液位测量和平均流速测量相结合的非满管和渠道超声流量计。

　　（2）使用方式

　　便携式超声流量计，特点：便携使用，内置可充电锂电池，适合移动测量，配接磁性传感器。

　　固定式（标准管段式）超声流量计。

　　（3）换能器的安装方法

　　标准管段式超声流量计，特点：需切开管路安装，但以后的维护可不停产。可选择单声道或三声道传感器。

　　外夹式超声流量计，特点：能够完成固定和移动测量。采用专用耦合剂（室温固化的硅橡胶或高温长链聚合油脂）安装，安装时不损坏管路。

　　现场开孔插入式超声流量计。

　　（4）换能器与流体是否接触

　　接触式（插入式）超声流量计，特点：可不停产安装和维护。

　　非接触式（外夹式）超声流量计。

　　（5）被测流体的性质

　　液体超声流量计；

　　气体超声流量计。

　　（6）换能器声道的数目

　　单声道超声流量计；

　　两声道超声流量计；

　　多声道超声流量计(3 声道以上，含3声道) 。

4  应用

　　各种超声流量计已广泛用于工业生产、商业计量和水利检测等方面，如：

　　在市政行业的原水、自来水、中水、污水的计量中，超声流量计具有大量程比、无压损的特点，在保证测量准确度的同时提高了管网的输水效率；

　　在水利水电行业的输水管道、渠道、泵站、电站的流量计量中，超声流量计具有大口径、现场安装、在线标定的特点，使准确测量成为可能。同时通过对水泵、水轮机单泵、单机的计量来实现设备优化、经济运行的目的；

　　在工业冷却循环水的计量中，超声流量计实现了在线不断流带压安装和在线标定；

　　在商业计量方面多声道超声流量计已达到优于0.2%的准确度（示值误差）。

　　(1)传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、:怪液、液化天然气等;

　　(2)气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验;

　　(3)多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体,例如:未处理污水、工厂排放液、脏流程液;通常不适用于非常清洁的液体。

5  安装维护

　　传播速度差法超声流量计测量精度已优于11.0%，有的多声道超声流量计的精度已高达士0.5%R。但由于早期的超声流量计自身一般不带标准管道而工业上所用管路又十分复杂，使得超声流量计的测量精度大打折扣；另外，由于工业现场特别是管路周围环境的多样性和复杂性，大大降低了超声流量计的可靠性和稳定性。因此，如何根据特定的环境安装调试超声流量计，就成了超声流量测量领域的一个重要课题。符合规范的正确安装，可以更好地体现超声流量计的精度、可靠性和稳定性方面的优势，大大降低仪表的日常维护工作。

　　以前盛行的外夹装式超声流量计使用方便灵活，然而现场应用的实际侧量精度，常因工作琉忽，换能器安装距离及流通面积等测量的误差而造成梢度下降。不正确的安装甚至会使得仪表完全不能工作；因此，安装换能器对于测量是非常重要环节:国外竞相开发出经实流核准的高精度带测量管段的中小口径超声流量计，且用双声道或多声道以改善单声道侧量平均流速的不确定影响量，降低了迎流流速分布影响的敏感度，减少了前后置直管段长度的影响，消除了现场安装换能器位置的影响，使测量精度大大提高。

　　一般，超声流量计的安装应从以下几个方面来考虑:

　　1)详细了解现场情况;

　　2)确定安装方式;

　　3)选择安装管段;

　　4)计算安装距离，确定探头位置;

　　5)管道表面处理;

　　6)探头安装及接线;

　　7)用示波器观察接收波形，微调并固定探头。

6  优缺点

　　优点:

　　(1)可做非接触式测量;

　　(2)为无流动阻挠测量,无压力损失;

　　(3)可测量非导电性液体,对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。

　　缺点:

　　(1)传播时间法只能用于清洁液体和气体;而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体;

　　(2)多普勒法测量精度不高。