超声波流量计工作原理及常见问题概述

1、超声波流量计工作原理及常见问题概述一、 工作原理1、 概述超声流量计是一个测量仪表，它利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。在气体的测量现场主要的检测元件包括一对或几对超声传感器。这些传感器都安装在管壁上，每一组传感器的表面都彼此具有规定的几何关系。由一个传感器发射的超声脉冲由同一组内另一个传感器接收，反过来也如此。Q.Sonic-3 采用了一个单反射声道的方案，在对面的管壁处声脉冲有一次反射。此方案使声道的总长度增加，从而能改善分辨率（灵敏度）并拓宽流量计的范围度.2 、流速的测量超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时，声脉冲以相同的速

2、度（声速，C）在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V（该流速不等于零），则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样，顺流传输时间tD会短些，而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言；这样就有：LtD = - (2.1)jC + V cos和 LtU = - (2.2)jC V cos式中，L代表两个传感器之间声道的直线长度，可按下式确定L：L D = - (2.3)2 jsin采用电子学手段来测量此传输时间。根据时间倒数的差，可按下式计算流速V L 1 1V = ( )-(2.4) tDj2cos tU一般说来

3、，沿管道横截面的流速并不是一个固定不变的常量。在流过很长圆管的定常无涡流的流体中，流速仅是径向位置的函数。通常称此函数为充分发展的速度分布（剖面），可以用如下的半经验幂律公式来近似它：1 V(r)=Vmax(1 ) n -（2.5）R式中，r是在半径上的位置，R是管道的半径，n是雷诺数Re和管内壁粗糙度的函数。对于光滑管道，可按下式来计算n：Ren=2log10() 0.8 -(2.6)n按（3.4）式计算的流速是沿声道的线积分：1L V(r)dLòVL= -(2.7)L换句话说，由仪表所测得的流速是在声道方向上流体速度分量沿声道的平均值。通常用户感兴趣的是流体沿管道横截面S的平均流

4、速Vm：1Vm= sV(r)dsòò -(2.8)S如果V仅有一个垂直于S的速度分量，那么可根据下式来计算Vm：Vm=Kc VL -(2.9a)式中Kc代表所谓修正因子，它由下式来定义1V(r)dsòò SKc = -(2.10)1 V(r)dLòL一旦V(r)，L和S已知，修正因子就可以被计算出来。由于V(r)是雷诺数Re的函数，因此修正因子也是Re的函数。Check Sonic “系列II”(Series-II)型流量计以具有一个“调整因子”，fadjust为特色。在进行流量校准（标定）后，可利用它对流量计进行调整，或者是根据一个具有已知或

5、可接受精度的参比量对输出进行调整时，也需利用它。从1998年元月1日后发运的所有流量计都已具备该特点。在计算平均流速Vm时，已同时采用了调整因子：Vm=fadjust Kc VL -(2.9b)二、 3、 体积流量的计算在管道流动状况下的体积流量QLine按速度分布修正后的气体的平均流速Vm乘以测量管的内横截面的面积A：D2pQLine = Vm A = Vm -(2.11)4在标准状况下的体积流量QBase按下式计算：Zo P ToQBase = QLine -(2.12)Z Po T式中：Zo,Po,To是在标准（或参比）状况下气体的压缩因子，绝对压力和绝对温度；Z，P，T是在管道流动（或

6、计量）条件下气体的压缩因子，绝对压力和绝对温度。4 、超声波流量计的应用 超声波流量计在应用中，需要注意以下几个方面的问题：4.1 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。4.2 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，如图3。多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式，时

7、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。对于即可以用V方式安装又可以方式安装的换能器，尽量选用Z方式。实践表明，Z方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好4.3 及时核校对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户，可以配备一台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况。一是坚持一装一校，即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准；二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还

8、是流量确实发生了变化。二、超声波流量计使用中常见问题：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附 各种参数或变量的定义：A 管道或流量计的横截面积；C 声速；D 管道或流量计的内（直）径；Fadjust 调整系数（通常是根据流量标定结果来确定）；KC 修正系数（与雷诺数Re 有关）；KZ 一个恒定不便的压缩因子；L 在一对传感器（超声探头）之间声道的长度（声程）；P 在管道流动条件下的绝对压力（绝压）；PO 在基准（参比）条件下的绝对压力（绝压）；Qline 在管道流动条件下的体积流量（实际体积流量）；QBase 修正到基准（参比）条件下的体积流量；S 管道的横截面；T 在管道流动条件下的绝对温度；TO 在基准（参比）条件下的绝对温度；TD 声音从上游探头到下游探头的传输时