超声波流量计的基本原理及类型.docx

超声波流量计的基本原理及类型.docx

《超声波流量计的基本原理及类型.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波流量计的基本原理及类型.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

超声波流量计的基本原理及类型

超声波流量计的基本原理及类型

超声波流量计的基本原理及类型

刘欣荣

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。

因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。

根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。

起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种

非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。

它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。

使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。

众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。

因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。

被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。

在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。

超声被流量汁也可用于气体测量。

管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。

另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。

另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。

超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。

超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。

超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。

目前我国只能用于测量200℃以下的流体。

另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。

这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m／s左右，被测流体流速（流量）变化带给声速的变化量最大也是10－3数量级．若要求测量流速的准确度为1％，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。

超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。

这样就实现了流量的检测和显示。

超声波流量计常用压电换能器。

它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。

超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。

发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。

超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。

薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。

压电元件材料多采用锆钛酸铅。

为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器整体（又称探头）。

声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。

常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。

另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。

超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。

测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。

根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法（包括：

直接时差法、时差法、相位差法、频差法）波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型，如图所示。

其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。

由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。

其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。

按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：

Z法（透过法）、V法（反射法）、X法（交*法）等。

波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大．多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。

相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。

但相关器价格贵，线路比较复杂。

在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。

噪声法（听音法）是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。

其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。

以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质．流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。

一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。

只有在管径很大时才采用直接时差法。

对换能器安装方法的选择原则一般是：

当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法或X法。

当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道（例如双声道或四声道）来克服流速扰动带来的流量测量误差。

多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。

随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合（COM）、煤水泥合（CWM）燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景

大口径水流量计的在线检定方法和注意事项

黄勇

一、大口径水流量计在线检定的必要性及检定方法和标准表选型

  在水库供水和自来水公司供水中大量使用的是公称口径大于DN300的大口径水流量计，此类流量计用于贸易结算，涉及的数量和金额巨大，根据《计量法》的规定，对其必须进行强制检定。

由于大口径水流量计多数是电磁流量计或插入式超声波流量计，仪表结构大都为法兰连接或者是插入管道，只在停流时才允许拆卸，且拆装和运输送检十分麻烦；另一方面，此类流量计的现场工作条件与实验室校验的工作条件相差很大，流量计准确度偏离无法确定。

因此，在线检定大口径水流量计十分必要。

  由于大口径水流量计的测量流量非常大，例如DN500的管道常用流量在（350～1400）m3/h之间，除非现场有标定好的水池，否则现场采用容积法检定大口径水流量计不现实。

因此，在线检定的最好方法是采用标准表法，用直接比较法对被检流量计进行检定。

  标准表的选型在整个检定过程中十分重要，根据现场在线检定的要求，选用的标准表必须具有准确度高、稳定性好、量程宽、不用破管、安装尽量简便等特点。

在众多类型的流量计中，只有便携式超声波流量计的换能器安装是采用外夹式，且无需停流截管，只要在已设管道外部安装换能器即可。

这个特点是其他流量计无法比拟的，非接触测量为在线检定大口径水流量计提供了可能。

  随着超声波技术的发展，康创超声波便携式流量计以其准确度高、稳定性好、量程范围广、适合各种口径和材质的管道、不用破管、无压力损失等特点具备了作为标准表的可能。

因此，我们选用型号为1010WP的便携式超声波流量计作为标准表送到国家水大流量计量站进行量值溯源，经检定合格后，可以作为1.0级标准表对下一级大口径水流量计进行量值传递。

  根据2004年我院流量室对72台不同口径流量计的检定结果统计:

DN300以上口径流量计有56台，占80.56%，以被检流量计准确度等级3.0级为合格计算，一次检定合格只有19台，合格率仅为26.39%，而其中参数设置错误而产生较大误差的有22台，占总数的30.56%。

因只有到现场检定才能调整被检流量计的错误参数设置，从而减少了人为误差。

二、大口径水流量计在线检定注意事项

  1.观察被检流量计的安装位置，正确选择标准流量计的安装位置

  虽然对各种流量计的现场安装有明确要求，例如有足够长的直管段等，但在实际应用中，现场条件达不到安装要求的情况很普遍，受现场安装条件所限，直管段不够长，阀门、弯头和泵离流量计太近，流量计口径和管道口径不一致等原因而引起的误差很大。

因此，很多情况下被检流量计已经不可能达到实验室的标定准确度，这就是我们在检定中发现的被检流量计实际检定误差比实验室标定误差大很多的原因。

现场实流标定也因此而变得更加重要。

  标准流量计的正确安装位置:

远离上游、下游扰动源，避免最有害的漩涡，换能器应装在上游直管段为10D，下游直管段为5D的位置。

上游扰动源有螺线式焊缝管和各类阻流管件，例如弯头、异形管、支管和阀。

上游扰动源会引起流速分布畸变和旋转流。

下游侧的扰动（如弯管阀门等形成的扰动）会上溯传播，影响达几倍管径长度的距离。

当上游存在泵、阀等设备时，直管段的长度最好为30D。

  2.正确设置标准流量计和被检流量计的管道测量参数

  现场管道情况十分复杂，不一定是标准管，但是被检流量计的安装多数未能实测现场管道参数，习惯按标准管安装。

由于管道参数设置的不正确会给被检流量计带来很大的误差，因此，现场实测管道参数十分必要。

  输入正确的管道参数，用外径尺实测现场管道的外径,外径测量误差为±1mm；用超声波测厚仪实测管道壁厚，测量误差为±0.1mm。

选择输入正确的管道材料，特别注意管道是否有里衬或结垢现象，如有，输入里衬参数（1～2）mm。

  检查被测流量计的参数，如果原管道参数与实际测量参数不符，输入实测参数，防止不必要的人为误差的产生。

  3.标准流量计的换能器安装尽量采用如图1所示的V型法安装

  图1  V型法安装

  用V型法安装增加声程一倍，可提高测量准确度。

此外，用V型法安装时，两个换能器装在一个夹具的滑轨上，很容易实现两个换能器安装在管道的中心线上，能尽量保证声程在管径平面上。

而用Z型法安装，两侧相对安装的换能器不易实现声程在管径平面上，容易带来测量误差。

  4.管道内壁结垢严重

  标准流量计的换能器V型法安装找不到信号时，请采取如图2所示Z型法安装换能器。

  图2  Z型法安装

  5.消除零点漂移

  采用声学性能较好的黄油或凡士林作为换能器的耦合剂，标准流量计测量流量信号时采用静态调零或动态调零，消除零点漂移。

  6.检查标准流量计的声速显示值和信号值

  如果声速显示值和实际水温声速相差较大，请再次检查管道参数的设置，多数原因是管道参数设置和实际管道参数不符而产生测量误差。

如果信号值太弱，再次检查换能器的安装是否正确；如果出现异常信号，检查周围是否存在干扰源，避开强磁场和震动干扰。

  7.在检定过程中，管道流速应不低于0.2m/s

  总之，严格按照流量计使用说明书进行正确安装，尽量避免由于人为误操作而产生的不必要的误差。

  以超声波流量计作为标准表进行量值传递，不仅实现了对大口径水流量计的周期检定，也减轻了企业的送检费用，保护了取、用水双方的利益，最大限度地量化了水资源的有偿使用，科学合理地保护了水资源。

超声波流量计

超声波流量计是近代发展起来的一种新型测量流量的仪表，只要能传播声音的流体均可以用超声波流量计测量；超声波流量计可以测量高粘度液体、非导电性液体或气体的流量，其测量流速的原理是：

超声波在流体中的传播速度会随被测流体流速而变化。

超声波流量计一般不作结算计量仪表使用，对于现场计量点损坏生产不能停机更换，又需要检测参数指导生产的情况也往往用到超声波流量计。

超声波流量计最大优势是用于大口径流量测量（管径大于2米），即使有些结算用计量点，经过使用双方认可，选用精度高的超声波流量计，可以节约成本，并减少维护量。

超声波流量计的选型及应用

摘要超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表，它从80年代开始进入我国工业生产和计量领域，并在90年代得到迅速发展。

文章对我佃国内市场上出现了各类超声波流量进行了深入研究分析，结合多年的实际应用经验，系统阐述了超声波流量计的分类方法；从仪表性能、被测介质经济性，实用性等方面总结了选用超声波流量的原则，并对应用中如何选位、安装、维护提出具体建议，为用户合理选择和应用超声波流量计提供了一些可以借鉴的经验和方法。

关键词超声流量计；换能器；时差式；安装方式

近几年来，随着电子技术、数字技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快，基于不同原理，适用于不同场合的各种型式的超声波流量计得到了广泛应用，同时也对广大用户提出如何认识超声波流量计、怎样选择合适的类型，使用中应注意些什么问题等一系列问题，本文综合国内超声波流量计目前的发展情况及多年应用的实践，对上述问题进行了些探讨。

1超声波流量计的分类

超声波流量计的各类很多，依照不同的分类方法，可以分为不同类型的超声波流量计。

1.1多谱勒式超声波流量计

换能器1发射频率为f1的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f2的频率反射到换能器2，这就是多谱勒将就，f2与f1之差即为多谱勒频差fd。

当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，c、f1、θ即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。

1.2时差式超声波流量计

时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。

2区别

根据超声波流量计使用场合不同，可以分为固定式超声波流量计和便携式超声波流量计。

2.1这两类超声波流量计的主要区别

（1）适用的场合不同

固定式超声波流量计用于安装在某一固定位置，对某一特定管道内流体的流量进行长期不间断的计量；便携式超声波流量计具有很大的机动性，主要用于对不同管道的流体流量作临时性测量。

（2）供电方式不同

固定式超声波流量计要求长期连续运行，所以要使用220V交流电源，便携式超声波流量计既可以使用现场的交流电源，也备有内置充电电池，可以连续工作5～10h［小时］，大大方便了不同场合临时性流量测量的需要。

（3）部分功能不同

因定式超声波流量计，通常都有4-20mA信号输出等功能，供远传显示使用，但其内部只能存贮一条管道的参数；便携式超声波流量计只是为了现场查看当时流量和短时间内的累计流量，故一般无输出信号功能，但为了方便测量不同管道流量，它具有丰富的贮存功能，可以同时存贮数十条不同管道的参数，供随时调出使用。

2.2换能器供电方式不同

可以分为外贴式、插入式、管段式三种超声波流量计。

（1）外贴式

外贴式超声波流量计是生产最早，用户最熟悉且应用最广泛的超声波流量计，安装换能器无需管道断流，即贴即用，它充分体现了超声波流量计安装简单、使用方便的特点。

（2）管段式

某些管道因材质疏、导声不良，或者锈蚀严重，衬里和管道内空间有间隙等原因，导致超声波信号衰减严重，用外贴式超声波流量计无法正常测量，所以产生了管段式超声波流量计。

管段式超声波流量计把换能器和测量管组成一体，解决了外贴式流量计在测量中的一个难题。

而且测量精度也比其它超声波流量计要高，但同时也牺牲了外贴式超声波流量计不断流安装这一优点，要求切开管道安装换能器。

（3）插入式

插入式超声波流量计介于上述二者中间。

在安装上可以不断流，利用专门工具在有水的管道上打孔，把换能器插入管道内，完成安装。

由于换能器在管道内，其信号的发射、接受只经过被测介质，而不经过管壁和衬里，所以其测量不受管质和管衬材料限制。

3超声波流量计的选型

超声波流量计除上述各种类型外，近年来又出现了采用数字化电路的数字式超声波流量计，把换能器和转换器做在一起的一体式超声波流量计，等等。

面对众多类型的超声波流量计，用户要根据实际情况和测量需要合理选型。

3.1多谱勒式超声波流量计

只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂志含量稳定的工厂过程液等。

要注意它对被测介质要求比较苛刻，即不能是洁净水，同时杂技含量要相对稳定，才可以正常测量，而且不同厂家的仪表性能及对被测厂家的要求也不一样。

选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解。

3.2便携式超声波流量计

适用于临时性测量，主要用于校对管道上已安装其它流量仪表的运行状态，进行一个区域内的流体平衡测试，检查管道的当时流量情况等。

如果不作固定安装，而用于这些用途时，选用便携式超声波流量计既方便又经济。

3.3时差式超声波流量计

目前生产最多、应用范围最广泛的是时差式超声波流量计。

它主要用来测量洁净的流体流量，在自来水公司和工业用水领域，得到广泛应用。

此外它也可以测量杂技含量不高（杂质含量小于10g/L，粒径小于1mm）的均匀流体，如污水等介质的流量，而且精度可达±1.5%。

实际应用表明，选用时差式超声波流量计，对相应流体的测量都可以达到满意的效果。

3.4管道式超声波流量计

精度最高，可达到±0.5%，而且不受管道材质、衬里的限制，适用于流量测量精度要求高的场合。

但随着管径的增大，成本也会随增加，通常情况下，选用中小口径的管段式超声波流量计，较为经济。

3.5固定式超声波流量计

如果有足够的安装空间，使用插入式换能器代替外贴式换能器，彻底消除了管衬、结垢及管壁对超声波信号衰减的影响，测量稳定性更高，也大大减小了维护工作量。

而且，由于插入式换能器也可以不断流安装，所以其应用正在不断推广。

有的厂家推出了内部为数字化电路的超声波流量计，其特点是采用数字电路处理信号，纠错能力增强，取样及时，精度提高（模拟电路的精度为±1.5%，数字电路可以达到±1.0%），而且集成度提高，仪表体积大大减小，有多种信号输出模式供选择，在实际应用也取得了很好的效果。

用户在使用中可以和模拟电路的超声波流量计进行比较。

超声波流量计的功能选择，用户可以根据实际情况来确定。

如果测量双向流体，一定要选择带有正负计量功能的超声波流量计；如果用户需要定期了解流体在一定时段有流量情况，可以选择带打印机的超声波流量计。

总之，所选择的超声波流量计的功能既要满足用户需要，也不必贪多求全，造成许多功能闭置不用，而增加购买成本。

4超声波流量计的应用

超声波流量计在应用中，需要注意以下几个方面的问题：

4.1正确选择

这是超声波流量计能够正常工作的基础。

如果选型不当，或会造成流量无法测量，或者用户使用不做便等后果。

具体选型原则，前面已做了详细的介绍。

4.2合理安装

换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。

安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。

确定位置时除保证足够的上、下游直管段外，尤其要注意换能器尽量避开有变频调速嚣、电焊机等污染电源的场合。

在安装方式上，主要有对贴安装方式和V方式、Z方式三种。

多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式，时差式超声波流量计采用V方式和Z方式，通常情况下，管径小于300mm时，采用V方式安装，管径大于200mm时，采用Z方式安装。

对于即可以用V方式安装又可以方式安装的换能器，尽量选用Z方式。

实践表明，Z方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好。

4.3及时核校

对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户，可以配备一台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况。

一是坚持一装一校，即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准；二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。

4.4定期维护

与其他流量仪表相比，超声波流量计的维护量是比较小的。

对于外贴换能器超声波流量计，安装以后无水压损失，无潜在漏水，只需定期检查换能器是否松动，与管道之间的粘合剂是否良好即可；插入式超声波流量计，要定期清理探头上沉积的杂质、水垢等有无漏水现象；如果是一体式超声波流量计，要检查流量计与管道之间的法兰链接是否良好，并考虑现场温度和湿度对其电子部件的影响，等待。

定期维护可以确保超声波流量计的长期稳定运行。

超声波流量计使用中注意事项

　1、瞬时流量计波动大？

A、信号强度波动大；B、本身测量流体波动大；

解决方法：

调整好探头位置，提高信号强度（保持在3%以上）保证信号强度稳定，如本身流体波动大，则位置不好，重新选点，确保前10D后5D的工况要求。

2、外夹式流量计信号低？

管径过大，管道结垢严重，或选择安装方式不对。

解决方法：

对于管径过大、结垢严重，建议采用插入式探头，或选择“Z”型安装方式。

3、插入式探头使用一段时间后信号降低？

可能探头发生偏移或探头表面水垢厚。

解决方法：

重新调整探头位置，清冼探头发射面。

4、开机无显示

检查电源属性是否与仪表的额定值相对应，保险丝是否烧断，如以上问题不荐在，对建议把仪器发回我司由专业技术人员检查。

5、开机后仪表仅有背光，无任何字符显示

此情况一般为程序芯片失，建议把仪器发回我司进行处理。

6、仪表在现场强干扰下无法使用？

供电电源波动范围较大，周围有变频器或强磁场干扰，接地线不正确。

解决方法：

给仪表提供稳定的供电电源，仪表安装远离变频器和强磁场干扰，有良好的接地线。

超声波流量计原理

2007年04月03日星期二下午09:

04

摘要：

本文阐述了超声波流量计常用的时差法、多普勒法的测流原理，以及超声波流量计的分类。

通过实际测流应用并与流速仪所测的流量结果做了对比分析，得出超声波流量计无论在测流准确度还是在测流精度上都比其它的测流设备高，而且具有其它测流设备所不具备的实时在线和数据远传的优越性能。

关键词：

超声波流量计；时差法；多普勒；测流

1引言

近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。

基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的首选工具。

2超声波流量计的测量原理

超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。

传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。

其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的