超声流量计部分资料汇总及巴歇尔槽规格和安装.docx
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超声流量计部分资料汇总及巴歇尔槽规格和安装
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
超声流量计
（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。
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。
特点
◆独特的信号数字化处理技术，使仪表测量信号更稳定、抗干扰能力强、计量更准确。
◆无机械传动部件不容易损坏，免维护，寿命长。
◆电路更优化、集成度高、功耗低、可靠性高。
◆智能化标准信号输出，人机界面友好、多种二次信号输出，供您任意选择。
◆管段式小管径测量经济又方便，测量精度高。
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
超声流量计
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。
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。
安装细解
超声波流量计在安装之前应了解现场情况，包括：
1．安装传感器处距主机距离为多少；
2．管道材质、管壁厚度及管径；
3．管道年限；
4．流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管；
5．流体温度；
6．安装现场是否有干扰源（如变频、强磁场等）；
7．主机安放处四季温度；
8．使用的电源电压是否稳定；
9．是否需要远传信号及种类；
根据以上提供的现场情况，厂家可针对现场情况进行配置，必要情况下也可特制机型。
超声波流量计安装位置
选择安装管段对测试精度影响很大，所选管段应避开干扰和涡流这两种对测量精度影响较大的情况，一般选择管段应满足下列条件：
1、避免在水泵、大功率电台、变频，即有强磁场和震动干扰处安装机器；
2、选择管材应均匀致密，易于超声波传输的管段；
3、要有足够长的直管段，安装点上游直管段必须要大于10D（注：
D=直径），下游要大于5D；
4、安装点上游距水泵应有30D距离；
5、流体应充满管道；
6、管道周围要有足够的空间便于现场人员操作，地下管道需做测试井，测试井如下：
超声波流量计安装方式
超声波流量计一般有两种探头安装方式，即Z法和V法。
但是,当D<200mm而现场情况为下列条件之一者,也可采用Z法安装：
1、当被测量流体浊度高，用V法测量收不到信号或信号很弱时；
2、当管道内壁有衬里时；
3、当管道使用年限太长且内壁结垢严重时；
对于管道条件较好者，即使D稍大于200mm，为了提高测量精度，也可采用V法安装。
超声波流量计探头位置
1、将管道参数输入仪表，选择探头安装方式，得出安装距离；
2、在水平管道上，一般应选择管道的中部，避开顶部和底部（顶部可能含有气泡、底部可能有沉淀）；
3、V法安装：
先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点。
Z法安装：
先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点，然后测出此点在管道另一侧的对称点。
超声波流量计管道处理
确定探头位置之后，在两安装点±100mm范围内，使用角磨砂轮机、锉、砂纸等工具将管道打磨至光亮平滑无蚀坑。
要求：
光泽均匀，无起伏不平，手感光滑圆润。
需要特别注意，打磨点要求与原管道有同样的弧度，切忌将安装点打磨成平面，用酒精或汽油等将此范围擦净，以利于探头粘接。
超声波流量计接线
探头与仪表接线
探头（传感器）
探头根据实际测量管道可分三种：
S型传感器（15~100mm）
M型传感器（50~700mm）
L型传感器（300~6000mm）
超声波流量计微调探头
接完线后把探头内部用硅胶注满，放置半小时，然后用硅胶和卡具把探头固定到打磨好的管道上（注意探头方向，引线端向外），然后观察仪表的信号强度、良度与传输时间比，如发现不好，则细微调整探头位置，直到仪表的信号达到规定的范围之内：
（信号强度：
一般应大于6.5，少数可根据现场具体情况另定。
）
（信号良度：
低峰值一般为7～14，高峰值一般为25～80。
）
（传输时间比：
在100±4范围之内，此值必须稳定。
）
超声波流量计固定探头
仪表信号调整好以后，用所配卡具将探头固定好，注意不要使钢丝绳倾斜，以免拉动探头，使探头移位，再用硅胶将探头与管道接触的四周封住。
此胶凝固大约需一天时间，在未干之前必须注意探头防水。
（信号线的外屏蔽线必须可靠接地）。
安装超声波流量计可按照以下步骤操作：
一：
观察安装现场管道是否满足直管段前10D后5D以及离泵30D的距离。
（D为管道内直径）
二：
确认管道内流体介质以及是否满管。
三：
确认管道材质以及壁厚（充分考虑到管道内壁结垢厚度）
四：
确认管道使用年限，在使用10左右的管道，即使是碳钢材质，最好也采用插入式安装。
五：
前四步骤完成后可确认使用何种传感器安装
六：
开始向表体输入参数以确定安装距离。
七：
非常重要：
精确测量出安装距离。
八：
安装传感器——调试信号——做防水——归整好信号电缆——清理现场线头等废弃物——安装结束——验收签字
超声波流量计图纸分解
超声波流量计原理图
包括：
测量流动通道6，被测量的流体通过其中流动；超声波换能器8和9，分别设置在沿测量流动通道6彼此相对的上游端和下游端；上游孔眼11和下游孔眼12，用于使超声波换能器8和9暴露于该测量流动通道6；第一流体抑制器15，至少邻近下游孔眼12，用于减少被测量的流体流入孔眼12；第二流体抑制器16，被设置在测量流动通道6的上游端并相对于孔眼11和12，用于减少被测量的流体流入孔眼11和12；测量控制部件19，用于测量超声波换能器8和9之间的超声波的传播时间；及计算部件20，用于根据该测量控制部件19的信号计算流量。
为下游孔眼12设置的第一流体抑制器15包括具有至少一个超声波传输孔22的孔眼密封部件21。
因此，有可能稳定超声波换能器之间的流体，以便增强超声波的接收水平，从而提高测量精度和对流量测量的上限值，并减少对于超声波换能器的驱动输入。
超声波流量计常见问题
1、超声波流量计探头使用一段时间，会出现不定期的报警。
尤其是输送介质杂质较多时，这种问题会较常见。
解决办法：
定期清理探头（建议一年清理一次）。
2、超声波流量计输送介质含有水等液体杂质时，流量计引压管容易产生积液，气温较低时会出现引压管冻堵现象，尤其在北方地区冬季较常见。
解决办法：
对引压管进行吹扫或加电伴热
3、超声波流量计对管道的要求非常严格不能有异响否则会影响测量误差很大
超声波在传播过程中，由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收，其强度会产生衰减。
不论是超声波流量计还是超声波物位计，对所接受的声波强度都有一定要求，所以都要对各种衰减进行抑制。
4、瞬时流量波动大?
信号强度大,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.
5、外夹式超声波流量计信号低?
这个取决于仪表本身的技术含量,经过现场大量的测试实例证明,像管道时间长,结垢严重,管径大的问题,艾拓利尔AFTU-2W系列较其他外夹式超声波流量计,出信号非常快,而且信号很稳定。
.
解决方法:
对于管径大、结垢严重、建议选用品质好的外夹式超声波流量计，探头安装处管道要打磨干净,用耦合剂或耦合片排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效地传入管道内，保证探测面上有足够的声强透射率.
6、测量介质中偶尔有气泡产生,用时差法的超声波流量计是否有影响？
今艾拓利尔AFTU-2W系列外夹式超声波流量计有双模式,当有气泡时,可以自动转入多普勒模式去测量,当气泡消失时,会自动转入时差法测量.
7、仪表在现场强干扰下无法使用？
现场有变频器或高电压电缆场强电磁干扰
建议：
远离变频器或高电压电缆场强电磁干扰
8、目前市场上外夹式的超声波流量计管径最小能测到多少?
温度最高多少？
解答：
现在全世界只有艾拓利尔AFTU-2W系列最小管径能测到6mm,温度能测到550℃，像测熔盐和导热油这类工况，这是其他品牌流量计无法做到的。
9、怎样选择一款合适的超声波流量计？
解答：
管道材质、管壁厚度及管径；流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管；流体温度，流量计类型，是便携的还是固定在线的。
关于使用超声波流量计的几点体会
1.流量计有对角和反射两种模式，当反射模式测不出时用对角模式可能能测出，以至于后来我们一直用反射模式。
2.流量计对管道要求比较高，保温层一定要刮掉一部分，否则无法测量。
我们测空调水系统时用刀把保温层割下一块以防止传感器，测完后再把割下的保温层粘上。
管道表面尽量光亮，太粗燥的话还得用砂纸打磨。
3.当管道内流体为非满管流时很难测出，所以测量位置应尽量选直管段，远离弯头、阀门等地方。
4.流量计读数的真实性是依赖于信号强度的，信号太低时结果基本不可信，一般要60%以上甚至更到。
5.由于读数可能会变化很大，我们采取的做法是让流量计连续读数，比如连续记录一分钟的读数，然后取平均值。
6.测量热水管路比冷水管路难。
因为热水管壁面温度高，耦合剂在高温时容易化。
除了产品自带耦合剂外，我们都尝试过牙膏。
总结超声波流量计在测量准确度和精度还有待提高
时差法超声流量计工作原理
时差法超声流量计工作原理如图1所示.α为流速方向和超声波传播方向的夹角α,当为锐角时,称之为顺流;当α为钝角时,称之为逆流.超声波信号在动态介质（流体）中,与静态介质（流速为零）相比,顺流时信号传播速度增加,传播时间减小,逆流时信号传播速度减小,传播时间增加,从而顺逆流方向声波信号传播时间存在差值（即时差）.时差法超声流量计就是根据介质的流速与时差存在线性关系原理进行测量的,只要准确测定顺逆流时间,根据流速与其线性关系,可以求出瞬时流速,进而可以求出瞬时流量[6
图1中的s1、s2分别代表两个超声波换能器;t1为换能器s1发射、s2接收时,超声波在管道中传播时间,即顺流时间;t2为换能器s2发射、s1接收时,超声波在管道中传播时间,即逆流时间;V为液体流速;D为管道直径;θ为超声波进入液体的入射角.超声流量计顺流时间t1和逆流时间t2分别用下式计算[7],即
其中,C为超声波信号在水中的声速,τ为信号在换能器及硬件电路中的时间延迟.设ΔT为顺逆流时间差,则
因常见液体中声速要大于1000m/s,而液体流速小于10m/s[7],即C2mV2,所以式（3）可以简化为
由式（4）可得流速
通过式（5）可求出瞬时流量
式中,K为流速分布修正系数,S为管道截面积,D为管道直径.
3 静态漂移的产生
理论上,在流体静止的情况下（流速为0m/s）,时差法超声流量计测量的顺流时间t1和逆流时间t2应该相等,时间差ΔT应该为0.但是因采用的两个超声换能器的灵敏度、机电耦合等参数不可能完全相同,静态情况下ΔT一般在一个范围内变化,则由式（6）可知静态下的瞬时流量Qs应在一个范围内波动.超声流量计对流动流体的测量,称为动态计量,动态瞬时流量为记作Qd.假设时差式超声流量计要满足分界流量为qt,精度为1%,则ΔT必须满足:
其中,ξ为一个精度阈值参数（由分界流量和精度决定）,所以静态瞬时流量Qs满足
式中,δ=f（ξ）.当静态瞬时流量Qs不满足式（8）时,定义该状况为静态漂移.解决静态漂移的基本方法是准确的判断超声波
的到达时刻,即得到准确的顺逆流时间,进而得到准确的时间差.通常用阈值比较法来判断超声波的到达时刻,阈值比较法的原理图如图2所示,图2（b）为（a）中框图放大部分.图2（b）中,DS为发射换能器的脉冲驱动信号;TS为接收换能器接收到的超声波信号;T为顺流时间（逆流时间）;t为时间坐标轴;Z为硬件阈值;a、b、c、d依次为接收的超声波第二个周期的4个时刻点,a为过零点.假设图2中,接收换能器在一次静态测量时接收的超声波为TS,阈值Z首次与该信号切割时刻为c点,此时的超声流量计测得顺流时间（逆流时间）为T,时间差为ΔT.如果下一次接收的超声波幅值比该次大或者小,则阈值Z首次与该信号切割的时刻点c点会前移或后移,导致测量的顺流时间（逆流时间）偏大或偏小.由于超声波比较微弱,易受到流体中固体颗粒、外界环境以及电子
元器件老化因素的影响,从而会使接收超声信号幅值发生变化,使Z与超声波首次切割的时刻点c点会前移或后移,顺流时间和逆流时间测量不准确.在静态情况下,顺流时间和逆流时间都是ms级的,两者大小很接近,使得时间差ΔT为ps级,容易出现3
种使静态漂移|Qs|>δ的情况:
（1）如果接收超声波幅度变大,Z首次与接收信号切割时刻为第二周期的b点,此时测得顺流时间（逆流时间）记为T1,时间差为ΔT1,|ΔT1|>|ΔT|,从而|Qs|>δ;
（2）如果接收超声波幅度变小,Z首次与接收信号切割时刻为第二个周期的d点,此时顺流时间（逆流时间）记为T2,时间差为ΔT2,|ΔT2|>|ΔT|,从而|Qs|>δ;（3）如果接收超声波幅值变大或变小的程度很大,那么Z首次与接收超声波信号切割时刻可能为第一个周期或第三个周期的某一时刻点,使得静态测量时间差增大或减小一个周期,这样测量的顺流时间或逆流时间就是错误的,从而时间差是错误的,导致瞬时流量测量结果错误.上面3种情况都产生了静态漂移,主要原因是不能准确的判断接收超声波信号到达时刻,这是阈值比较法较大的缺陷.严重影响时差式超声流量计的动态计量精度,甚至产生计量错误.减小静态漂移是提高时差法超声流计量精度非常有效的方法.
4 实现抑制静态漂移的方法当换能器接收到超声波信号时,由于换能器由静止到震荡稳定需要一定的时间,传统阈值比较法采用第二个周期信号作为判断接收的超声波信号到达时刻点的标志,可以很好去除该信号稳定所需要的时间,但是当超声信号的幅值大小波动时,该模型不能很准确判断超声波到达的时刻.由于在该模型中,阈值电压Z首次与接收的超声信号切割时刻点会发生移动,产生静态漂移,导致计量不准确.当接收换能器接收到信号时,就会在其电极两端产生中心频率f0的超声波信号y（t）,即
y（t）=r（t）cos（2πf0t+<）（9）其中,r（t）为关于t的调制函数,则y（t）为幅度调制信号,f0为谐振频率,<为初始相位,为了讨论方
便,设初始相位<为零.当t=2k+14f0（k∈Z）时,y的值为零,该时刻点称为过零点,不受调制信号r（t）的影响.超声波在流体中传播时候,环境噪声主要影响调制信号r（t）部分,对cos（2πf0t）部分没有影响.把过零时刻点作为判断接收超声回波信号
到达的标志,可以很好的解决由于接收的超声波幅值变化而导致到达时刻错判的问题,能很准确测量顺流和逆流时间[829],克服了阈值比较的不足,静态漂移比较小.
基于以上分析,文中采用过零和阈值比较相结合的方式,称之为过零阈值模型,能很好解决上述阈值比较模型的缺点,减小静态漂移,可以提高时差法流量计的计量精度.过零阈值模型实现原理如图3所示,Z为硬件阈值;ultrasonic为接收的超声波信号;Q1、Q2、Q3、S分别为输出信号.
在静态情况下,超声流量计顺流测量时,超声波经过图3所示电路,各部分输出信号如图4所示,处理过程如下:
Step1:
ultrasonic信号经过comparater1时,进行阈值比较,当幅值大于阈值Z时,Q1输出高电平,Q1的波形如图4（b）所示;
Step2:
ultrasonic信号经过comparater2时,当幅值大于阈值Z时,此时Q2输出高电平,?
0?
5Q2经过
Not之后使该比较器进入锁存状态,此时Q2的波形被锁存,即一直为高电平,如图4（c）图所示;Step3:
ultrasonic信号经过comparater3时,进行过零比较,输出信号Q2的波形如图4（d）图所示;Step4:
把图4中的（c）和（d）图波形进行逻辑与运算,最后得到输出波形如图4（e）所示,stop信号作为判断接收超声信号到达的标志,即计时芯片停止计时的标志.
经过以上4步后,计时芯片能够测得较准确顺流时间T3,用同样的方法测得逆流时间T′3,就可以计算出较准确测量时间差ΔT3和静态瞬时流量.对于超声换能器来说,如果发射换能器的驱动信号一定的情况下,接收换能器接收到超声波形是不变的,则通过阈值比较出脉冲的个数是不变的.每次测量时该脉冲的个数设为N,计数器对该脉冲串进行计数,阈值计数测试框图如图5所示.进行一次
测量时,如果该记录值为N,则进行下一次的测量;如果该记录值不为N,则舍弃该组数据,进行重测.为了进一步减小静态漂移,提高时差法超声流量计的抗干扰能力,文中在过零阈值比较模型的基础上,又增加了软件平滑滤波方法[10].这样可以有效的减小随机干扰信号对硬件系统的影响,剔除测量过程中的误差数据,提高了系统的计量精度.
5 实验结果分析
为了验证过零阈值平滑模型的优点,文中做了对比实验.在静态条件下分别对阈值比较法、过零阈值模型以及过零阈值平滑模型进行实际的测量,获得瞬时流量,即静态漂移,结果如图6至图8所示.
图中横坐标为测量的次数,纵坐标为瞬时流量.
在分界流量qt为Qt（M3/H）,且精度满足1%的条件下,静态瞬时流量的必须满足式（8）（为10QtL/H）.根据实际需求,分界流量选择为208微电子学与计算机2010年
图6为阈值比较法测得的静态瞬时流量,静态瞬时流量波动很大,而且存在测量错误点,远远不能满足分界流量为3M3/H,精度为1%的要求;图7为过零阈值模型测得的静态瞬时流量,基本上可以满足分界流量为3M3/H,精度为1%的要求,但是存在个别误差点;图8为过零阈值平滑模型测得的静态瞬时流量,完全可以满足始动流量为3M3/H,精度为1%的要求.为了对比上述3种方法之间的稳定性和重复性[11],文中对实测数据分别计算其期望、方差及标准差进行对比如表1所示
经过对3种方法的实际测量数据的数学统计分析可以看出,零阈值平滑模型实测数据的期望、方差和标准差要小,该系统的重复性和稳定性比较好,测量的数据更接近实际测量真实值,波动性很小,可以实现抑制静态瞬时流量波动,可以很好地解决静态漂移问题.
仪表自检
当您检测或安装好仪表正常上电后，循环按返回键会显示空气距离数值（仪表自动检测），显示的空气距离数值应该相当实际空气距离（实际空气距离可用尺测量，单位米）。
如果两数值不相当则仪表无法正常工作，需判断传感器安装是否合理（调整安装位置、角度等）。
循环按压返回键可以看到以下页面
1、瞬时、液位、累积
2、瞬时流量
3、累积流量
4、日期、时间
5、空气距离、探头盲区、堰槽名称
四、菜单说明及使用
本机分测量状态和菜单设置状态，测量状态显示（瞬时、液位、累积），在测量状态下按住确认键数秒，出现请输入密码的-0XXX-界面，通过按右移键输入出厂密码-0000-即进入设置菜单。
当所有参数都设置完成后，要退出菜单设置状态，可以连续按返回键，直到出现需要保存吗？
是不的菜单界面，请根据需要选择是或者不然后按确认键退出。
键盘定义：
左移键：
选中的光标位向左移动
右移键：
选中的光标位向右移动
减少键：
选中的光标位数值减少，或选中的光标位设备定义循环
增加键：
选中的光标位数值增加，或选中的光标位设备定义循环
确认键：
确认作用
返回键：
在测量状态下起循环显示作用，在菜单设置状态下，起返回上级菜单作用。
设置菜单：
流量参数控制系统通信校验共六项菜单
1、流量
（1）选槽A、流量模式：
帕歇槽、矩形堰、等宽堰、三角堰可按增加键循环选择
B、流量单位：
kg、m3、L、T可按增加键循环选择
（2）探头有超声和电流两种模式可按增加键循环选择
当您需要接入4-20mA标准信号测明渠流量请订货时说明，探头项才选电流。
（3）补偿系统默认，无需设置
2、参数
（1）当前水位请输入目前流量传感器下水的深度，单位米，按确认键转到下一小项菜单；
（2）流量上限瞬时流量量程（即多少立方时仪表输出20mA）单位m3/h，按确认键转到下一项菜单；
（3）流量下限瞬时流量零位一般设0.000
（4）水位切除一般设0.005m
3、控制
控I上限、控I下限、控II上限、控II下限、控制回差本菜单仅限选配控制功能的仪表
4、系统
（1）密码设置密码用（修改密码后请牢记）
（2）时间设置时间日期用
（3）巡显仅限选配巡显功能的仪表
（4）清零清零作用可将累积流量来停电报表等清零，通过按确认键即清零
（5）恢复禁用
（6）背光选择仪表显示的背光是延时关闭还是常亮
5、通信（仅限选配通讯功能的仪表）
（1）本机地址设置本仪表通讯的地址
（2）波特率选择通讯波特率（1200，2400，4800，9600e代表有校验n代表无校验）
6、校验（工厂用）
五、仪表异常分析
A、显示为FFFF或F000（表示没有采到信号）
（1）检查接线是否良好
（2）检查流量探头安装是否垂直
（3）流量探头功率可能偏小（譬如：
液体表面有泡沫、漂浮物、烟雾、尘埃等）
B、显示数字不变化（不随水位的高低变化）
（1）液位高度进入探头盲区
（2）液位的上方或侧方有障碍物
（3）安装口的设置或位
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