超声波流量计工作原理及分类和选型应用

1、超声波流量计工作原理及分类和选型应用2010年12月13 S 05:05生意社生意社12月13日讯？一.CCS超声波流量计的工作原理及分类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，如果在现场配以温度、压力仪表，经过密度补偿，还可以求得质量流量。当超声波在流动的介质中传播的时候，相对于固定的坐标系统而言（如管道中的管壁）,其声波的某些声学特性与静止介质中的声特性是不同的，在其基础上又叠加上了流体的流速信息，因而根据超声波某些声学特性随流速的变化就可以求出介质的流速。超声波流量计根据测量原理的不同，种类较多，大致可以分为以下几 类：1传播速度法（时差法、相位差法和频差法）2多

2、普勒法3相关法4波束 偏移法等。但是目前最常采用的测量方法主要有两类：时差法和多普勒效应法。 同时，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?二、超声波流量计的选型应用根据原理不同：K多谱勒式超声波流量计的选型多普勒法超声波流量计依靠水中杂质的反射来测量水的流速，因此适 用于杂质含量较多的脏水和浆体，如城市污水、污泥.工厂排放液、杂质含量 稳定的工厂过程液等，而且可以测量连续混入气泡的液体。但是根据测量原理, 被测介质中必须含有一定数量的散射体（颗粒或气泡），否则仪表就不能正常工作。2、时差式超声波流量计的选型目前生产最多、应用范围最广泛的是时差式超声波流

3、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及江河水、回用水领域，得到广泛应用。时差式超声波流量计此外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，但不能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较大固体物的液体。在这种情况下应用，应在换能器的上游进行消气、沉淀或过滤。在悬浮颗粒含量过多或因管道条件致使超声信号严重衰减而不能测量时，有时可以试降低换能器频率，予以解决。而且精度可达1%。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。条件传播时间差法多普勒法适用液体水类（江河水，海水农业用水等），油类 （纯

4、净燃油，润滑油，食用油等），化学试 剂，药液等含杂质多的水（下水，污水，农 业用水等），浆类（泥浆,矿浆，纸 浆化工料浆等），油类（非净燃油， 重油，原油等）适用悬浮颗粒含童体积含ft50-100mg/L仪表基本误差带测呈管段式 湿式大口径多声道%R（3-10）%FS固体粒子含量基本不变时土湿式小口径单声道夹装式（范围度20： 1）%R-3%R邀复性误差%1%信号传输电缆长度lOO-SOOm,在能保证信号质量的前提 下.可以小于100m 相位差；f21, fl2一一超声波在流体中的顺流和逆流的传播频率；f一一超声波的频率。从中可以看出，相位差法本质上和时差法是相同的，而频率与时间有时互 为倒数

5、关系，三种方法没有本质上的差别。目前相位差法已不采用，频差法的 仪表也不多。（2）流量方程式传播时间法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速，而计算流量 所需是流通横截面的面平均流速，二者的数值是不同的，其差异取决于流速分 布状况。因此，必须用一定的方法对流速分布进行补偿。此外，对于夹装式换 能器仪表，还必须对折射角受温度变化进行补偿，才能精确的测得流量。体积 流量qv为（6）式中K一一流速分布修正系数，即声道上线平均流速Vm和面平均流速 vm和平面平均流速v之比，K=vm/v；DN管道内径。K是单声道通过管道中心（即管轴对称流场的最大流速处）的流速（分布） 修正系数。管道雷诺数ReD变化K值

6、将变化，仪表范围度为10时，K值变化约 为1%；范围度为100时，K值约变化2%。流动从层流转变为紊流时，K值要 变化约30%。所以要精确测量时，必须对K值进行动态补偿。1）夹装式换能器仪表声道角的修正夹装式换能器USF除了做流速分布修 正外，必要时还要做声道角变化影响的修正。根据斯那尔（Snail）定律式（7） 和图2,声道角0随流体中声速c的变化而变化，而c又是流体温度的函数（以 水为例，见图3）,因此，必须对e角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目 的。（7）式中40超声在声楔中的入射角；4）1 4一超声在管壁、流体中的折射角；c0. cl c声楔、管壁、被测流体的声速。9角不但受流体声

7、速影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。然而因为 一般固体材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大 的条件下对测量精确度的影响可以忽略不计。但是在温度变化范围大的情况下 （例如髙低温换能器工作温度范围-40-200C）就必须对声楔和管壁中声速的大 幅度变化进行修正。2）多声道直射式换能器仪表的流量方程式直射式换能器仪表的流量方程 没有管壁材料折射温度变化影响。多声道仪表常用髙斯积分法或其他积分法计 算流量。图4是以四声道为例的原理模型，流量计算式（8）所示。（8）式中DN测量段内与声道垂直方向上的圆管平均内径或矩形管道的 平均内高；S高斯修正系数；町一各声道高斯积分加权数；

8、Li-各声道长度；Vi 各声道线平均流速；8 i各声道声道角；N声道数。多普勒（效应）法多普勒（效应）法USF是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多 产生多普勒频移现象。（1）流速方程式如图5所示，超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域 内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd,接收 换能器B收到频率为fB的超声波，其值为(9)式中v散射体运动速度。多普勒频移fd正比于散射体流动速度(10)测量对象确定后，式(10)右边除v外均为常量，移行后得(11)(2) 流量方程式多普勒法USF的流量方程式形式上与式(6)相同，只是所测得的流速是各 散射体的速

9、度v (代替式中的vm),与载体液体管道平均流速数值并不一致；方 程式中流速分布修正系数Kd以代替KO Kd是散射体的“照射域”在管中心附近 的系数；其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射 波的系数。(3) 液体温度影响的修正式(11)中又流体声速6而C是温度的函数，液体温度变化会引起测量误 差。由于固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级，即在式(11)中的流 体声速C用声楔的声速co取代，以减小用液体声速时的影响。因为从图6可知 cos 0 =sin4,再按斯纳尔定律 sin4/c = sin 40/c0,式(11)便可得式(12), 其中c0/sin4 0可视为常量

10、。(12)(4) 散射体的影响实际上多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体，而所测得各散射体速 度和载体液体平均流速间的关系也有差别。其他参量如散射体粒度大小组合与 流动时分布状况，散射体流速非轴向分量，声波被散射体衰减程度等均影响频 移信号。第二节优缺点和局限性优点USF可作非接触测量。夹装式换能器USF可无需停流截管安装，只要在 既设管道外部安装换能器即可。这是USF在工业用流量仪表中具有的独特优点， 因此可作移动性(即非定点固定安装)测量，适用于管网流动状况评估测定USF 为无流动阻挠测量，无额外压力损失。流量计的仪表系数是可从实际测量管道 及声道等几何尺寸计算求得的，既可采用干法标定，

11、除带测量管段式外一般不 需作实流校验。USF适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制， 其造价基本上与管径无关。对于大型管道不仅带来方便，可认为在无法实现实 流校验的情况下是优先考虑的选择方案。多普勒USF可测量固相含量较多或含 有气泡的液体。USF可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量 计的一种补充。因易于实行与测试方法(如流速计的速度-面积法，示踪法等) 相结合，可解决一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量，非圆截面管道 测量等。某些传播时间法USF附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声 速以判断所测液体类别。例如，油船泵送油品上岸，可核査所测量的是油品还 是

12、仓底水。缺点和局限性传播时间法USF只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡 超过某一范围的液体；反之多普勒法USF只能用于测量含有一定异相的液体。外夹装换能器的USF不能用于衬里或结垢太厚的管道，以及不能用于衬里 （或锈层）与内管壁剥离（若夹层夹有气体会严重衰减超声信号）或锈蚀严重 （改变超声传播路径）的管道。多普勒法USF多数情况下测量精度不高。国内 生产现有品种不能用于管径小于DN25mm的管道。第三节超声波流量计分类和结构组成USF主要由安装在测量管道上的超声换能器（或由换能器和测量管组成 的超声流量传感器）和转换器组成。转换器在结构上分为固定盘装式和便携式 两大类。换能器和转换

13、器之间由专用信号传输电缆连接，在固定测量的场合需 在适当的地方装接线盒。夹装式换能器通常还需配用安装夹具和耦合剂。图7 是系统组成示例，此例是测量液体用传播时间法单声道Z法夹装式USF.分类可以从不同角度对超声流量测量方法和换能器（或传感器）进行分类。（1）按测量原理分类封闭管道用USF按测量原理有5种，如2节所述，现在用得最多的是 传播时间法和多普勒法两大类。（2）按被测介质分类有气体用和液体用两类。传播时间法USF两种介质各自专用，因换能 器工作频率各异，通常气体在100300kHz之间，液体在广5MHz之间。气体仪 表不能用夹装式换能器，因固体和气体边界间超声波传播效率较低。（3）传播时

14、间法按声道数分类按声道数分类常用的有单声道.双声道、四声道和八声道四种。近年 有出现三声道.五声道和六声道。四声道及以上的多声道配置对提高测量精度 起很大作用。各声道按换能器分布位置（见图8）,又可分为以下几种。1）单声道有Z法（透过法）和V法（反射法）两种。2）双声道 有X法（2Z法.交差法入2V法和平行法三种。3）四声道有4Z法和平行法两种。4）八声道有平行法和两平行四声道交差法二种。（4）按换能器安装方式分类有.1）可移动安装2）固定安装超声波流量计原理及选型指南2010-3-19 17:26:00来源：北京中瑞能仪表技术有限公司 浏览：367 网友评论条点击査看插入式超声流量计：可不停

15、产安装和维护。采用陶瓷传感器，使用 我公司专用钻孔装置进行不停产安装。一般为单声道测量，为了提高测量准确 度，可选择三声道。管段式超声流量计：需切开管路安装，但以后的维护可不停产。可 选择单声道或三声道传感器。外夹式超声流量计：能够完成固定和移动测量。采用专用耦合剂（室 温固化的硅橡胶或高温长链聚合油脂）安装，安装时不损坏管路。便携式超声流量计：便携使用，内置可充电锂电池，适合移动测量, 配接磁性传感器。手持式超声流量计：体积小，重量轻，内置可充电锂电池，手持使 用，配接磁性传感器。防爆型超声流量计：用于爆炸性环境液体流量测量，为防爆兼本安 型。即转换器为防爆型，传感器为本质安全型。流量测量系

16、统：由多台超声流量计和系统主站组成。适于多条管路 的集中测量。超声热量计：用于供热系统的热量测量。电池供电型超声流量计：采用一节锂电池供电的一体式超声流量计。 适于无市电供应的测量场合，一节电池可使用十年，具有多种测量功能。系列明渠流量计，用于液体明渠流量测量，测量传感器可采用超声速 度传感器、帕氏槽、P-B槽、三角垠、矩形垠和全宽堰，并采用超声液位测量。该系统明渠流量计测量准确、可靠。采用超声速度传感器时，可测量大型渠道 或涵洞的液体流量。堰槽式明渠流量计：可使用帕氏槽、PB槽、三角堰、矩形堰、全 宽堰进行明渠流量测量，液位传感器采用超声传感器。超声式明渠流量计：采用超声传感器测量流速及液位

17、。测量准确度 高，适于大型渠道和涵洞的流量测量。根据测量准确度要求，超声速度测号可 选择单声道、双声道和三声道。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

18、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鼠的原则，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

19、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。多谱勒式超声波流量计换能器1发射频率为fl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fl之差即为多谱勒频差fd。当管道条件、换能器安装位置

20、、发射频率、声速确定以后，c、fl、0 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。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。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

21、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510h 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 査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。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

22、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髙，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

23、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。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

24、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。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，检査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。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ln

25、nn）的均匀流体， 如污水等介质的流量，而且精度可达%。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。管道式超声波流量计精度最高，可达到土,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。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

26、流量计，其特点是釆用数 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%, 数字电路可以达到土%）,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超声波流量讣的应用超声波流量计在

27、应用中，需要注意以下几个方面的问题：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。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