李彥林

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照276800）

1 超聲波流量計(jì)的工作原理

超聲波流量計(jì)利用超聲波測(cè)量流量有許多種方法，其中典型的方法有時(shí)差法、聲循環(huán)法、多普勒法。本文主要介紹時(shí)差法超聲波流量計(jì)的工作原理，超聲波在流體中的傳播速度受到流體流速的影響，在流體順流方向和逆流方向是不一樣的，其傳播時(shí)間差和流體的流速成正比。只要測(cè)出超聲波在這兩個(gè)方向上傳播的時(shí)-間差，便可知流體的流速，再乘以管道截面積便可得流體的流量。具體計(jì)算公式如下：

超聲波在順流方向傳播時(shí)間t1為：

逆流方向傳播的時(shí)間t2為：

式中：L——聲程，m；

φ——管軸線與聲道之間的夾角，即聲道角；

c——聲波在靜止流體中的聲速，m/s；

v——流體沿管道軸向的流速，m/s；

超聲波傳播的時(shí)間差△t為：

因?yàn)閏2>>v2cos2φ所以流速v為：

由上可知這時(shí)只要測(cè)得t1和t2，便可求得流體流速，流體流量。

2 超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

超聲波流量計(jì)主要由換能器和控制器（變送器）兩部分構(gòu)成。換能器有兩種，一種是發(fā)射換能器，另一種是接收換能器。發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，接收換能器接收到超聲波信號(hào)，通過傳輸線送到控制器（變送器）?？刂破鳎ㄗ兯推鳎┑淖饔檬菍⒔邮盏降某暡ㄐ盘?hào)經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為與被測(cè)流體體積流量成正比的電信號(hào)，進(jìn)行顯示和累計(jì)計(jì)算，還可將信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳進(jìn)入DCS等控制系統(tǒng)。

3 超聲波流量計(jì)的選型

為確保流量計(jì)正常投運(yùn)，儀表選型至關(guān)重要。超聲波流量計(jì)根據(jù)換能器的安裝方法不同可分為外夾式超聲波流量計(jì)、插入式超聲波流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)管段式超聲波流量計(jì)。超聲波流量計(jì)的選型主要是根據(jù)計(jì)量要求選擇適合的流量計(jì)。

（1）外夾式超聲波流量計(jì)，優(yōu)點(diǎn)：①外夾式超聲波流量計(jì)的換能器安裝在管道外面，不與被測(cè)流體直接接觸，不存在換能器腐蝕、粘結(jié)等問題；②測(cè)量時(shí)，在管道內(nèi)部無任何測(cè)量部件，沒有壓力損失，不改變流體的流動(dòng)狀態(tài)；③安裝簡(jiǎn)單方便，管道不用切斷，不用開孔，安裝時(shí)不用停流；④可以便攜使用，便于對(duì)有懷疑的其他流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)。不足：①對(duì)管道條件要求較高，應(yīng)確定管道材質(zhì)、管道外徑、壁厚、襯里材質(zhì)和厚度等；②測(cè)量精度相對(duì)低一些。

（2）插入式超聲波流量計(jì)，優(yōu)點(diǎn)：①安裝時(shí)不用停流，使用專用安裝工具在管道上開孔，換能器直接穿插在孔內(nèi)；②與外夾式超聲波流量計(jì)相比，測(cè)量精度較高，不受管道銹蝕、結(jié)垢等的影響。不足：①換能器直接與被測(cè)流體接觸，易被腐蝕、結(jié)晶造成儀表測(cè)量不準(zhǔn)確。

（3）標(biāo)準(zhǔn)管段式超聲波流量計(jì)，把換能器固定安裝在按照設(shè)計(jì)加工好的管段上，并且換能器直接與被測(cè)流體接觸。這種流量計(jì)能夠準(zhǔn)確控制加工精度，同時(shí)可以精確測(cè)量管段的幾何尺寸，而且兩個(gè)換能器之間只有單一被測(cè)介質(zhì)，所以測(cè)量準(zhǔn)確度較高，但是，不足是安裝麻煩，需要斷流，割開管道安裝，而且對(duì)于大口徑管道定做價(jià)格較高，因此除非特殊要求一般不建議選用此種超聲波流量計(jì)。

綜上，超聲波流量計(jì)在選型時(shí)必須綜合考慮準(zhǔn)確度、安裝條件、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等，選擇適合的流量計(jì)。

4 超聲波流量計(jì)的安裝

（1）測(cè)量點(diǎn)的選取：①測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡量選擇距離上游10倍直徑、下游5倍直徑以內(nèi)均勻直管段，以確保流體所需的流速分布；②流量計(jì)盡可能水平或垂直安裝，管內(nèi)必須充滿流體，當(dāng)換能器安裝在傾斜管道上時(shí)，不要裝在上部和底部，以免管道內(nèi)的氣體或雜質(zhì)進(jìn)入測(cè)量聲道，應(yīng)盡可能使換能器處于和水平面成45度角的范圍內(nèi)；③對(duì)于外夾式超聲波流量計(jì)，測(cè)量點(diǎn)管道內(nèi)壁不能有過厚結(jié)垢層，盡量選擇無結(jié)垢的管段且應(yīng)具有良好的導(dǎo)聲性能；

（2）換能器安裝方式

①V法安裝

適用于管徑較小時(shí)，采用V法安裝擴(kuò)大了聲程長(zhǎng)度，增加了順逆向聲波傳播時(shí)間；

②Z法安裝

Z法安裝方式一般適用于DN200以上管道，使用Z法安裝時(shí)超聲波在管道中直接傳輸，沒有折射，信號(hào)衰耗小。

5 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用

近年來，由于電子技術(shù)的進(jìn)步，超聲波流量計(jì)發(fā)展很快，且日益完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。各種超聲波流量計(jì)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)計(jì)量和水利檢測(cè)等方面，例如，在市政行業(yè)的原水、自來水、中水、污水的計(jì)量中，超聲波流量計(jì)具有大量程比，無壓損的特點(diǎn)，在保證測(cè)量準(zhǔn)確度的同時(shí)提高了官網(wǎng)的輸水效率；在工業(yè)冷卻循環(huán)水的計(jì)量中，超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了在線不斷流帶壓安裝和在線標(biāo)定。

6 結(jié)束語

綜上所述，超聲波流量計(jì)作為流量測(cè)量?jī)x表，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是智能化超聲波流量計(jì)，采用微處理器和程序控制，且?guī)ㄓ嵔涌凇⒐δ芨鼜?qiáng)、編程方便，因而具有更強(qiáng)的生命力。但是不論其如何發(fā)展，如果設(shè)計(jì)選型及安裝不當(dāng)，不僅無法發(fā)揮其優(yōu)越性，還會(huì)帶來?yè)p失。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波流量計(jì)的正確選型及安裝是極為重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，必須引起我們的重視。

［1］高魁明.熱工測(cè)量?jī)x表[M].2版.冶金出版社,2006.

［2］徐英華,楊有濤.流量及分析儀表[M].中國(guó)計(jì)量出版社,2008.