蘇菲

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

超聲波流量計(jì)（Ultrasonic Flowmeter）是通過檢測(cè)流體流動(dòng)時(shí)對(duì)超聲波（超聲脈沖）的作用，以測(cè)量體積流量的儀表。超聲波流量計(jì)具有如下主要特點(diǎn)：被測(cè)流體中不插入任何元件，對(duì)流速無影響，也沒有壓力損失；能用于任何液體，特別是具有高黏度、強(qiáng)腐蝕，非導(dǎo)電性等性能的液體的流量測(cè)量，也能測(cè)量氣體的流量；對(duì)于大口徑管道的流量測(cè)量，不會(huì)因管徑大而增加投資；量程比較寬，可達(dá)5∶1；輸出與流量之間呈線性等。

由于這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，超聲波流量計(jì)的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)成為常用的流量計(jì)之一，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，具有相當(dāng)好的發(fā)展前景。

超聲波流量計(jì)的檢測(cè)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(jì)為時(shí)差法超聲波流量計(jì)。多普勒法超聲波流量計(jì)由于對(duì)被測(cè)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(jì)的檢測(cè)原理與選型應(yīng)用。

1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的工作原理

如圖1所示，為管道式安裝的超聲波流量計(jì)測(cè)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(nèi)傳播的簡化幾何關(guān)系。其中，超聲波傳播的聲道與管道的軸線間夾角為β，管徑為D。

超聲波穿過管道如同渡船過河流，如果管道內(nèi)沒有液體流動(dòng)，超聲波將以相同的速度向兩個(gè)方向傳播。當(dāng)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(duì)于沒有流體流動(dòng)的情況，當(dāng)管道中存在流體流動(dòng)時(shí)，順流傳播的時(shí)間tD將縮短，逆流傳播的時(shí)間tU將增長。根據(jù)這兩個(gè)傳播時(shí)間差，就可以計(jì)算出管道中流體流速[1]。這就是時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本測(cè)量原理。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量示意圖

在圖1中，有下面的關(guān)系成立：

將以上式（1）和式（2）聯(lián)立并解之，可得：

式中 L — 超聲波在還能器之間的傳播路徑長度，m；

X — 聲道長度在管軸線的平行線上的投影長度，m；

tD，tU— 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— 流體通過換能器之間聲道上的平均流速，m/s。

其實(shí)，式（3）中計(jì)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。而用戶想知道的是管道橫截面上的平均流速V。由Vm計(jì)算V，一般會(huì)引入一個(gè)速度分布校準(zhǔn)系數(shù)Kc，即可得：

式中 V — 管道橫截面上的平均流速，m/s；

Vm— 流體通過換能器之間聲道上的平均流速，m/s。

Kc — 速度分布校準(zhǔn)系數(shù)。

Kc的數(shù)值主要取決于流體的雷諾數(shù)。如果聲道在通過管道軸線的平面內(nèi)，則由式（5）給出Kc的一個(gè)近似值：

式中 ReD— 流體的雷諾數(shù)；

對(duì)于充分發(fā)展的紊流，如果聲道不在通過管道軸線的平面內(nèi)（即傾斜的弦線），這Kc系數(shù)及它與雷諾數(shù)的關(guān)系都將不同。

2 多普勒法超聲波流量計(jì)工作原理

多普勒（效應(yīng)）法是利用聲學(xué)多普勒原理確定流體流量的。多普勒效應(yīng)是當(dāng)聲源和目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)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(yùn)動(dòng)的目標(biāo)和靜止的發(fā)射換能器之間的相對(duì)速度[1]。圖2是多普勒流量計(jì)測(cè)量時(shí)的示意圖。

圖2 多普勒法超聲波流量計(jì)測(cè)量示意圖

如圖2所示，超聲波流量計(jì)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(xù)超聲波，經(jīng)照射域內(nèi)液體中散射體懸浮顆粒或氣泡散射，散射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移fd，探頭B接收到頻率為fB的超聲波，可知：

式中 V — 散射體運(yùn)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1 500 m/s左右[2]，被測(cè)流速僅僅為每秒數(shù)米，即C遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于V，由此式（6）可以簡化為：

多普勒頻移fd正比于散射體流動(dòng)速度，即：

由式（8）可知，

多普勒超聲波流量計(jì)就是通過以上原理測(cè)量管道中流體流速的。

3 超聲波流量計(jì)的比較與選型

時(shí)差式超聲波流量計(jì)作為目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍最廣泛的超聲波流量計(jì)，它主要用來測(cè)量較為清潔的液體和氣體流量，當(dāng)固體懸浮顆粒較多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致超聲信號(hào)嚴(yán)重衰減而不能測(cè)量。因此，其首先在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用[3]。隨著超聲波流量檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，它也可以測(cè)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，視不同廠家技術(shù)略有區(qū)別，通常滿足雜質(zhì)含量小于10 g/L，粒徑小于1 mm的均勻流體都能獲得良好的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用表明，選用時(shí)差式超聲波流量計(jì)，對(duì)一般流體的測(cè)量都可以達(dá)到滿意的效果。

目前，市場(chǎng)上比較常見的時(shí)差法超聲波流量計(jì)又可分為如下三大類 ：夾裝式超聲波流量計(jì)，插入式（濕式）超聲波流量計(jì)和整體式超聲波流量計(jì)。夾裝式超聲波流量計(jì)，由于夾裝在管道外，不會(huì)阻礙管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)，因此不會(huì)帶來其它原理測(cè)量流量計(jì)那樣的壓損，而且夾裝式超聲波流量計(jì)一般沒有部件會(huì)造成積聚或者污染，也沒有運(yùn)動(dòng)部件可被磨損，故基本無需維護(hù)或極少維護(hù)，應(yīng)用非常廣泛。插入式（濕式）超聲波流量計(jì)主要應(yīng)用于高濕、高壓液體和氣體的流量測(cè)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(cè)量無偏移，耐腐蝕，但安裝通常比較復(fù)雜，難度較高，如安裝時(shí)不夠精確或處理不當(dāng)可能導(dǎo)致影響測(cè)量的精度和可靠性。整體式超聲波流量計(jì)，顧名思義，這類超聲波流量計(jì)所有部件已預(yù)先安裝，在流量計(jì)出廠前，在工廠內(nèi)就集成固化傳感器和傳感器安裝短管，完成測(cè)試，因此，流量計(jì)運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)后，安裝非?？焖俸啽悖褂寐菟▽⒐艿篮土髁坑?jì)帶來的安裝短管兩端進(jìn)行法蘭連接即可。整體式超聲波流量計(jì)的最大特點(diǎn)就是安裝簡單方便，高精度，且可以測(cè)量雙向流，但價(jià)格偏高。對(duì)于大口徑管道流量測(cè)量，整體式超聲波流量計(jì)還能提供雙通道的配置，即兩路過直徑的聲通道，每個(gè)通道都會(huì)測(cè)到一個(gè)流量值，然后取平均值，這樣可以大大提高測(cè)量精度[4]。

而多譜勒式超聲波流量計(jì)，只能用于測(cè)量含有適量能反射超聲波信號(hào)的顆?；驓馀莸牧黧w，如：工廠排放液、未處理的污水、雜質(zhì)含量穩(wěn)定的生產(chǎn)裝置液體介質(zhì)等。尤其注意的是，它對(duì)被測(cè)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(duì)穩(wěn)定，才可以正常測(cè)量，而且不同廠家的儀表性能及對(duì)被測(cè)介質(zhì)的要求也不一樣。因此，選擇此類超聲波流量計(jì)既要對(duì)被測(cè)介質(zhì)特性有所認(rèn)識(shí)，也要對(duì)所選用的超聲波流量計(jì)的性能、精度及其對(duì)被測(cè)介質(zhì)的要求有深入的了解。多普勒法超聲波流量計(jì)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(hào)[3]。由此可知，多普勒式超聲波流量計(jì)對(duì)被測(cè)介質(zhì)要求較高，在選型應(yīng)用上存在局限性，已淡出超聲波流量計(jì)的主流市場(chǎng)。

另外，超聲波流量計(jì)的精確程度差異很大。時(shí)差法超聲波流量計(jì)中，整體式超聲波流量計(jì)，精確度較高，基本誤差一般可達(dá)±（0.5～1）% R，也有的高達(dá)±0.15% R；夾裝式超聲波流量計(jì)精度可達(dá)±（1 ～3）% R；多普勒法超聲波流量計(jì)，一般可達(dá)±（3 ～10）% FS，只有當(dāng)固體粒子含量基本不變時(shí)，才可達(dá)±（0.5～3）% FS。

由上可知，時(shí)差法超聲波流量計(jì)是目前主流應(yīng)用的超聲波流量計(jì)，多普勒式超聲波流量計(jì)應(yīng)用范圍較小。在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于超聲波流量計(jì)的選用需要根據(jù)被測(cè)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(cè)量清潔程度較高的液體流量時(shí)，時(shí)差法超聲波流量計(jì)無疑是首選。而對(duì)于測(cè)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(jì)由于超聲信號(hào)被嚴(yán)重衰減而不能測(cè)量，只能考慮采用多普勒法超聲波流量計(jì)，盡管其測(cè)量效果難以保證。但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這幾年，某些時(shí)差法超聲波流量計(jì)的制造廠采用了其獨(dú)特的、受專利保護(hù)的聲信號(hào)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(jì)的優(yōu)點(diǎn)延伸至更加苛刻的應(yīng)用中，為眾多含有氣泡，液滴或夾帶固體顆粒等傳統(tǒng)時(shí)差法無法測(cè)量的液體、兩相流等提供了精確、無漂的測(cè)量。這就使得時(shí)差法超聲波流量計(jì)的應(yīng)用更加廣泛，甚至替代多普勒法超聲波流量計(jì)，成為目前市場(chǎng)上超聲波流量計(jì)的不二之選。

綜上所述，對(duì)于超聲波流量計(jì)的選型，首先應(yīng)該針對(duì)被測(cè)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)廠家不同技術(shù)特點(diǎn)的產(chǎn)品，做為工程設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該進(jìn)行綜合判斷，同時(shí)，還要考慮項(xiàng)目的統(tǒng)一性，價(jià)格因素等，最終選取合適的流量計(jì)類型。

4 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用

通過以上分析，相信我們已經(jīng)能夠?qū)τ诟鞣N類型的超聲波流量計(jì)作出正確選型，而這也是超聲波流量計(jì)能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生流量無法測(cè)量、測(cè)量誤差大或信號(hào)不穩(wěn)定等問題。除對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行正確選型外，還應(yīng)注意其安裝、調(diào)校、維護(hù)等方面的問題，才能保證穩(wěn)定運(yùn)行。

傳感器探頭安裝不合理是超聲波流量計(jì)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有變頻調(diào)速囂、電焊機(jī)等信號(hào)干擾源的場(chǎng)合。超聲波流量計(jì)的直管段要求一般為：滿足直管段前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(jù)時(shí)差法超聲波流量計(jì)的三大類型，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(cè)量管道上開孔并焊接安裝管嘴（凸臺(tái)），超聲波探頭通過安裝套件插入管嘴（凸臺(tái)）內(nèi)，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(tái)）連接。這種方式對(duì)安裝管嘴（凸臺(tái)）的高度、位置都有要求，一般需要流量計(jì)廠家現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)安裝。整體法蘭式安裝最為簡單，只需將管道和整體式超聲波流量計(jì)帶來的安裝管用螺栓將法蘭連接即可。應(yīng)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(jì)外，還可適用于多譜勒式超聲波流量計(jì)。夾裝式又可分為以下三類：對(duì)夾式、V方式和Z方式，如圖3所示。多譜勒式超聲波流量計(jì)采用對(duì)夾式安裝方式，時(shí)差式超聲波流量計(jì)采用V方式和Z方式，通常情況下，管徑小于300 mm時(shí)，采用V方式安裝， 管徑大于200 mm時(shí)，采用Z方式安裝。對(duì)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(hào)強(qiáng)度高，測(cè)量的穩(wěn)定性也好[3]。

圖3 超聲波流量計(jì)傳感器探頭夾裝式安裝方式

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，如使用到較多的在線安裝超聲波流量計(jì)，通常可以配備一臺(tái)便攜式超聲波流量計(jì)，用于核校現(xiàn)場(chǎng)儀表的測(cè)量結(jié)果。這樣既可以對(duì)每一臺(tái)新裝的超聲波流量計(jì)在安裝調(diào)試時(shí)進(jìn)行核校，確保選位好、測(cè)量準(zhǔn)。還可以在裝置運(yùn)行過程中，對(duì)在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)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(jì)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[5]。

另外，定期維護(hù)對(duì)超聲波流量計(jì)的長期穩(wěn)定運(yùn)行也有著至關(guān)重要的作用。與其他流量儀表相比，超聲波流量計(jì)的維護(hù)量是比較小的。對(duì)于夾裝式超聲波流量計(jì)，安裝以后無壓力損失，無潛在泄露，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(duì)于插入式（濕式）超聲波流量計(jì)，要定期清理探頭上沉積的雜質(zhì)、水垢等，并注意有無漏出現(xiàn)象。如果是整體式超聲波流量計(jì)，要檢查流量計(jì)與管道之間的法蘭連接是否良好，并注意現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度對(duì)其電子部件的影響等。

5 結(jié)束語

近幾年來，超聲波流量計(jì)的技術(shù)不斷創(chuàng)新，銷量不斷上升，發(fā)展迅速。隨著化工、石化、煤化工和天然氣等流程工業(yè)的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展，超聲波流量計(jì)因有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在這些領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。因此，在工程設(shè)計(jì)中，超聲波流量計(jì)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(hù)，才能使其在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

[1] 周人，何衍慶.流量測(cè)量和控制實(shí)用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013, 6.

[2] 王森，紀(jì)綱.儀表常用數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].第二版，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3] 紀(jì)綱， 紀(jì)波峰.流量測(cè)量系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷集錦[M].北京：化學(xué)出版社，2012, 8.

[4] GE超聲波流量計(jì)樣本[Z].

[5] 陸德名，張振基，黃布余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第三版，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.