計(jì)林佑

【摘 要】超聲波流量計(jì)是一種被廣泛應(yīng)用的非接觸式流量測量裝置，因其可以使用外夾式安裝，屬于無阻礙流量計(jì)，在大口徑流量測量方面及其方便，是用于解決流量測量困難問題的一類流量計(jì)。它適用于測量多種管徑及多種介質(zhì)，尤其是在測量具有腐蝕性和放射性，及易燃易爆介質(zhì)方面跟其他流量測量裝置相比有著極大的優(yōu)勢。超聲波流量計(jì)安裝使用和維護(hù)都非常方便，且測量準(zhǔn)確度很高，這使得超聲波流量計(jì)成為發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。本文對超聲波流量計(jì)的測量原理及安裝使用注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

【關(guān)鍵詞】流量測量；超聲波流量計(jì)

0.引言

超聲波流量計(jì)在石油、電力、冶金、化工、給排水等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，是最近十幾年開始應(yīng)用的一種非接觸式流量測量儀表，其配套使用的傳感器是利用超聲波的特性開發(fā)研制的專用傳感器，適用于管道上不方便安裝節(jié)流式傳統(tǒng)流量計(jì)，以及大管徑流量的測量。超聲波流量計(jì)通過采用先進(jìn)的多脈沖技術(shù)和數(shù)字化處理技術(shù)以及糾錯(cuò)技術(shù)，使之與傳統(tǒng)流量計(jì)如孔板、噴嘴等節(jié)流測量裝置相比具有優(yōu)勢，屬于無阻力流量計(jì)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、安裝簡單、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)。

1.超聲波流量計(jì)原理及特點(diǎn)

（一）測量原理

（1）速度差法

超聲波流量計(jì)通常使用計(jì)算速度差的方法測出流體的流速，再根據(jù)提前設(shè)置的參數(shù)換算成流量。超聲波流量計(jì)由一對探頭和一個(gè)二次儀表組成。探頭安裝在管道上游和下游共兩個(gè)，當(dāng)超聲波在流動(dòng)的介質(zhì)中傳播時(shí)，超聲波的傳播速度受流體的影響而加減速。具體的表現(xiàn)為上游探頭發(fā)射的超聲波信號(hào)，經(jīng)流體加速后被下游探頭接收到，此傳播時(shí)間被二次儀表記錄，設(shè)為Tup。反過來，下游探頭發(fā)射的超聲波信號(hào)，經(jīng)流體減速后被上游探頭接收到，此傳播時(shí)間也被二次儀表記錄，設(shè)為Tdown。經(jīng)二次表內(nèi)預(yù)設(shè)的參數(shù)計(jì)算得出介質(zhì)的流速，再根據(jù)管徑進(jìn)行計(jì)算，從而得出流量值進(jìn)行遠(yuǎn)傳和就地顯示。

按照規(guī)定的安裝方式固定好探頭后，θ、M、D等均為已知，Tup、Tdown通過二次表測量得出，因此可以計(jì)算出流體的傳播速度。簡單的說，就是超聲波的傳播速度在靜止的介質(zhì)中為已知的固定值，當(dāng)介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，受流體的影響超聲波的傳播速度將改變，與靜止介質(zhì)中超聲波速度相對比就可得出流體的流速。再根據(jù)在二次表預(yù)設(shè)的管道內(nèi)徑計(jì)算出流量：

（2）相差法

還有一種叫做相差法測量，當(dāng)超聲波探頭發(fā)射出連續(xù)超聲波脈沖或周期較長的脈沖列時(shí)，在順流和逆流的情況下所接收到的信號(hào)之間將產(chǎn)生相位差ΔO，即

ΔO=wΔt=2wLu/cc

w為超聲波角頻率

當(dāng)測得ΔO時(shí)即可求出u，進(jìn)而求得流量Q。由于速度差法所測量的Δt太過微小，使用相差法測量相位差ΔO代替了測量微小的時(shí)差Δt，可以有效的提高測量精度。

（3）頻差法

頻差法是時(shí)差法和相差法的發(fā)展，主要是為了消除聲速C的影響。由公式

v=L△f/2

可知，當(dāng)兩個(gè)超聲波探頭固定好安裝位置后，只要測量出△f就可得到流速，并且此法與聲速無關(guān)。

（二）特點(diǎn)

其他類型的大口徑流量計(jì)制造工藝復(fù)雜，運(yùn)輸不便，安裝要求高，且價(jià)格昂貴，而超聲波流量計(jì)完全避免了此種情況，其安裝簡單，不會(huì)造成節(jié)流損失而大受歡迎，主要的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）儀表測量信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)；

（2）與流體接觸少甚至無接觸，不容易損壞，維護(hù)少，壽命長；

（3）電路更優(yōu)化、集成度高；

（4）功耗低、可靠性高；

（5）可計(jì)算瞬時(shí)值、累積值等多種信號(hào)，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出；

（6）操作簡單，經(jīng)濟(jì)方便，測量精度高。

2.超聲波流量計(jì)的分類

（1）插入式超聲波流量計(jì)：可以在線帶壓更換探頭，性能優(yōu)越，后期幾乎免維護(hù)。但安裝時(shí)需要專門的開孔工具，安裝難度較大，一旦鉆孔位置出現(xiàn)偏差，會(huì)造成無法接收信號(hào)而不能測量。

（2）管段式超聲波流量計(jì)：在主管段上使用法蘭連接，需在系統(tǒng)停運(yùn)后實(shí)施。

（3）外夾式超聲流量計(jì)：采用專用的耦合劑安裝，安裝時(shí)不影響系統(tǒng)運(yùn)行，不會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。

（4）便攜式超聲波流量計(jì)：內(nèi)置可充電電池，攜帶方便，可在野外惡劣環(huán)境中使用，適合用于短時(shí)間的比對測量。

（5）手持式超聲波流量計(jì)：與便攜式超聲波流量計(jì)相似，重量輕，內(nèi)置可充電電池，手持使用。

（6）防爆型超聲波流量計(jì)：用于可能存在可燃?xì)怏w的環(huán)境測量流體流量，為防爆本安型。

3.超聲波流量計(jì)的安裝應(yīng)用

按超聲波流量計(jì)的類別不同，安裝方式各不相同，以外夾式超聲波流量計(jì)為例，在安裝前應(yīng)做好相關(guān)準(zhǔn)備工作。

（1）了解管道及系統(tǒng)參數(shù)。如管道內(nèi)徑和外徑，管道材質(zhì)，管道是否有內(nèi)襯，以及管道內(nèi)為何種介質(zhì)。這些參數(shù)用于二次表設(shè)置，計(jì)算探頭安裝距離、流體速度，進(jìn)而計(jì)算瞬時(shí)流量。

（2）選擇安裝位置。要符合流量計(jì)直管段安裝要求，即“前十后五”，流量計(jì)上游至少有十倍內(nèi)徑距離的直管段，下游至少有五倍內(nèi)徑距離的直管段，且距離上游水泵應(yīng)有三十倍內(nèi)徑距離，這些都是為了保證管道內(nèi)為穩(wěn)定流動(dòng)的介質(zhì)，盡量消除壓力波動(dòng)的影響，否則將出現(xiàn)測量波動(dòng)大的情況。

（3）對于安裝地點(diǎn)的選擇要盡量避免強(qiáng)磁場和振動(dòng)的干擾，且安裝地點(diǎn)寬敞便于維護(hù)人員操作；

（4）管道內(nèi)外材質(zhì)、壁厚應(yīng)均勻，應(yīng)充滿介質(zhì)，不能存在不滿管或夾雜氣泡和沉淀物的情況，否則影響超聲波的傳播；

（5）在二次表輸入提前獲取的管徑、內(nèi)襯等參數(shù)，設(shè)置好安裝方式后，由二次表計(jì)算得出兩個(gè)探頭的安裝距離，需要特別注意的是二次表計(jì)算的安裝距離為兩個(gè)探頭內(nèi)側(cè)面間的距離；

（6）確定好探頭的位置后，檢查管道表面是否有保溫材料、鐵銹或凹凸不平，應(yīng)在安裝點(diǎn)用砂輪機(jī)或砂紙將管道表面打磨光滑，以防干擾信號(hào)的傳播；

（7）將探頭接觸管壁的一面均勻涂滿專用耦合劑，再用不銹鋼卡箍將探頭固定到打磨好的管道上，應(yīng)注意探頭出線部分向兩側(cè)，并分清上游側(cè)探頭和下游側(cè)探頭，分別接入二次表相應(yīng)端子。最后觀察二次表的信號(hào)強(qiáng)度和傳輸時(shí)間比，一般信號(hào)質(zhì)量應(yīng)大于60，以質(zhì)量達(dá)到90以上為佳，傳輸時(shí)間比一般為100±3%，如不符合要求，可以微調(diào)探頭位置，否則測量不準(zhǔn)確。

需要注意的是，為避免管道上部空氣和下部沉淀物的影響，探頭均應(yīng)安裝在水平中心線±45°范圍，盡量選擇在水平中心線位置，嚴(yán)禁安裝在管道正上方和正下方。如瞬時(shí)流量波動(dòng)較大，則可能存在紊流致使測量波動(dòng)，可考慮更換探頭測量點(diǎn)，如無改善，適當(dāng)增加阻尼時(shí)間。

外夾式超聲波流量計(jì)常見的安裝方式主要有V法和Z法兩種：

V法安裝：兩個(gè)探頭安裝在水平同一側(cè)，比如上游的探頭發(fā)射超聲波經(jīng)管壁反射后被下游側(cè)探頭接收信號(hào)。這是最常用、最標(biāo)準(zhǔn)的一種安裝方式，可測量管徑在DN15mm-DN400mm的流體介質(zhì)。

Z法安裝：兩個(gè)探頭安裝在水平兩側(cè)，比如上游探頭發(fā)射的超聲波直接被下游探頭接收。這也是一種常見的安裝方式，可測量管徑在DN100mm-DN6000mm的流體介質(zhì)，由于超聲波沒有經(jīng)過反射，信號(hào)的衰減最小。

此外還有N法等不太常見的安裝方式，通過延長傳輸距離提高精確度，但超聲波衰減較大。

插入式超聲波流量計(jì)和外夾式超聲波流量計(jì)安裝要求一致，但由于需要開孔的原因，對安裝距離的測量一定要準(zhǔn)確，以及開孔后的法蘭密封要保證不泄露。

管段式超聲波流量計(jì)使用法蘭與主管道進(jìn)行連接，由于探頭已安裝好，不需考慮安裝距離，只需注意直管段的要求即可。

4.超聲波流量計(jì)的維護(hù)

（1）定期檢查探頭信號(hào)的質(zhì)量，為保證準(zhǔn)確度，應(yīng)保證在90以上；

（2）定期檢查專用耦合劑，如發(fā)現(xiàn)干裂，應(yīng)重新安裝，避免探頭與管壁間存在空隙；

（3）定期?檢查外夾式探頭是否有松動(dòng)現(xiàn)象；

（4）如果管道壓力波動(dòng)頻繁，將會(huì)導(dǎo)致測量值波動(dòng)較大，可在二次表內(nèi)設(shè)置一定的阻尼時(shí)間。

5.結(jié)束語

從以上的介紹可以知道，超聲波流量計(jì)使用簡單、精度高、易于檢修維護(hù)，因此其應(yīng)用推廣較快，在電力、石油、化工等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

（作者單位：中海油珠海天然氣發(fā)電有限公司）