超声波流量计

超声波流量计

2014.9.4超声波流量计一、流量计的分类回顾二、声波知识回顾三、超声波流量测量基本原理四、超声波流量计结构五、超声波流量计的特点六、超声波流量计的安装七、超声波流量计主要故障流量计的分类回顾(1)力学原理；(2)电学原理；(3)声学原理；(4)热学原理；(5)光学原理；(6)原于物理原理；(7)其它原理：有标记原理(示踪原理、核磁共振原理)、相关原理等。一、按流量计测量原理分类流量计的分类回顾二、按流量计结构原理分类(1)容积式流量计(2)叶轮式流量计(3)差压式流量计(变压降式流量计)(4)变面积式流量计(等压降式流量计)(5)动量式流量计(6)冲量式流量计(7)电磁流量计(8)超声波流量计(9)流体振荡式流量计(10)质量流量计声波知识回顾它是由于物体振动而产生的一种机械波1.声波的振动频率小于20Hz的叫次声波2.人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz叫可闻声波3.声波的振动频率大于20000Hz的叫超声波超声波的物理性质超声波波长很短，近似直线传播。对于液体，其传播速度与液体的密度、压缩性能有关，密度越小、压缩系数越大，传播速度越慢。对于气体，其传播速度与气体的种类、压力及温度有关，温度越高，传播速度越快。对于固体，其传播速度与固体的密度和弹性模量有关，密度越小、模量越大，传播速度越快。（1）传播特点（2）反射与折射1）反射定律

入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比，当入射波和反射波的波形相同，波速相等时，反射角α′等于入射角α。2）折射定律

入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波中介质的波速C1与折射波中介质的波速C2之比，即（3）传播中的衰减超声波在传播中其强度会有衰减，衰减与传播距离d、介质密度有关，传播距离越长，衰减越多；介质密度p越大，衰减越多超声波的应用（1）超声波检测：就是利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来进行探查和测量的一门技术。超声波检测的最大特点是无损检测。目前工业中的检测主要用于金属构件、混凝土制品、塑料制品、陶瓷制品的探伤及厚度检测；浓度、硬度、温度检测等；作为开关、用于测量距离等。流量、液位、料位检测。超声波流量计超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。

根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声波流量测量基本原理超声波在流动介质中传播时，其传播速度与在静止介质中的传播速度不同，其变化量与介质流速有关。测得这一速度变化量就能求得介质的流速，进而求出流量。超声波在顺、逆流中传播的情况超声波在顺流中传播时间超声波在逆流中传播的时间由于流体的声速小的多，即流速比C>>u超声波探头在管外安装传播轨迹超声波探头一般是斜置在管道外部，传播轨迹如右图所示。介质静止时超声波传播轨迹为红线，它与轴线之间的夹角为θ。当介质平均流速为时u，传播的轨迹为虚线所示，它与轴线间夹角为速度差的测量方法速度Cu为两个分速度向量和，为了使问题简化，认为顺流时Cu=C+ucosθ

，逆流时Cu=C-ucosθ

，二者之速度差为2ucosθ

，由于cosθ值是已知的，因此可得流体的速度u。时间差法测量方法由于速度非常大，根据速度、时间、距离三者之间的关系，若距离已知，测出时间，就可以知道速度。因此速度差的测量可以改为测量时间。即时间差法。时间差为：△t＝t2－t1=L/（C-Vcosθ）－L/（C+Vcosθ）＝2LVcosθ／（C2－V2cos2θ）由于C>>V，故V2cos2θ可以忽略不计则：△t＝2VLcosθ/C2

即：流体流速V＝△tC2/（2Lcosθ）超声波流量计测量的原理相位差法频率差法多普勒频移法相位差法测量原理如果超声波发生器发射连续超声波脉冲或周期较长的脉冲列，则在顺流和逆流发射时所接收到的信号之间便产生相位差即：超声波的角频率由上式可知，当测得后，即可求出u，进而求得流量Q。此法用测量相位差代替了测量微小时差，有利于提高测量精度，但存在着声速对测量结果的影响。频率差法测量原理为了消除声速的影响，常采用频率差法。由前可知，上下游接收器接收到的超声波的频率之差可用下式表示：由上式可知，只要测得就可以求得流量Q，并且此法与声速无关多普勒法测量原理当声源与目标之间有相对运动，会引起声波在频率上的变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。特点：简单，不接触测量介质，一般用于含有颗粒和气泡的液体或两相流流体的流量测量。超声波流量计结构（实图照片）超声波流量计结构超声波流量计由超声波换能器、电子线路和流量显示三部分组成。根据超声波换能器使用不同可分为：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、管道式：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高，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。超声波流量计的特点1.优点：（1）超声波流量计属于非接触式测量，对流体场无干扰，无阻力件，不产生压力损失。（2）安装方便。只要将管外壁打磨光，摸上硅油，使其接触良好即可。（3）超声波流量计受介质物理性质的限制比较少，适应性较强。可测量各种介质，适合于腐蚀性、粘性、混浊度大的流体，尤其是大管径管道流体，而且测量精度高。（4）输出信号为线性的。超声波流量计的选型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运行状态，进行一个区域内流体平衡测试，检查管道当时流量情况等。

时差法超声波流量计是目前生产最多、应用范围最广泛是时差式超声波流量计。它主要用来测量洁净流体流量，自来水公司和工业用水领域，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1mm)均匀流体，如污水等介质流量，精度可达±1.5%采用数字电路处理信号，纠错能力增强，取样及时，精度提高(模拟电路精度为±1.5%，数字电路可以达到±1.0%)，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。

超声波流量计的安装安装换能器需要考虑位置确定和方式选择两个问题。确定位置时要注意换能器尽量避开有变频调速器、电焊机等污染电源场合。为了保证仪表测量准确度，应选择满足一定条件的场所定位:通常选择上游10D、下游5D以上直管段；上游30D内不能装泵、阀等扰动设备。目前通常采用三种安装方式:W型，V型，Z型。不同管径和流体特性来选择安装方式，通常W型适用于小管径(25～75mm)，V型(声波反射式)适用于中管径(25～250mm)，Z型(声波直传式)适用于大管径(250mm以上)。优选Z方式,实践表明，Z方式安装换能器超声波信号强度高，测量稳定性也好。Z方式安装（1）直接透过法，又称Z法，主要适用于流体以管轴为对称轴沿管轴平行流动的情形。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。D＞300mmV方式安装（2）反射法，又称V法，V法安装超声波信号行程增加一倍。适用于小管径，管道条件好的流量测量。交叉方式安装3）交叉法，又称X法，同V法，是V法的变形。安装距离受限制时。超声波流量计主要故障超声波流量计启动后，仪表没有输出信号或输出信号误差很大，可能出现以下问题：①两换能器安装位置不对；②仪表设定的管径、衬里、流体等参数有误；③换能器安装在焊缝处、连接处、或流体不满管，或管底有杂质、泥沙等；④流体中气泡太多，或浑浊度太高；⑤直管段长度不够，或附近有泵；⑥管道内部有结垢，凹凸不平；⑦衬里太厚，有剥落；⑧换能器和转换器间的电缆太长；⑨附近有无线电波干扰。结束!谢谢！（1）力学原理:利用伯努利定理的差压式、转子、浮子式流量计；利用动量定理的冲量式、可动管式；利用牛顿第二定律的直接质量式；利用流体动量原理的靶式；利用角动量定理的涡轮流量计；利用流体振荡原理的旋涡式、涡街流量计；利用总静压力差的皮托管式以及容积式和堰、槽式等等。（2）电学原理:电磁流量计、差动电容式、电感式、应变电阻式等。（3）利用声学原理进行流量测量的有超声波式．声学式(冲击波式)等。(4)热学原理：利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接量热式等。(5)光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。(6)原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是属于此类原理的仪表．(7)其它原理：有标记原理(示踪原理、核磁共振原理)、相关原理等。(1)容积式流量计容积式流量计相当于一个标准容积的容器，它接连不断地对流动介质进行度量。流量越大，度量的次数越多，输出的频率越高。容积式流量计的原理比较简单，适于测量高粘度、低雷诺数的流体。根据回转体形状不同，目前生产的产品分：适于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计(罗茨流量计)、旋转活塞和刮板式流量计；适于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转简流量计等．叶轮式流量计叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计，其结构可以是机械传动输出式或电脉冲输出式。一般机械式传动输出的水表准确度较低，误差约±2％，但结构简单，造价低，国内已批量生产，并标准化、通用化和系列化。压式流量计(变压降式流量计)差压式流量计由一次装置和二次装置组成．一次装置称流量测量元件，它安装在被测流体的管道中，产生与流量(流速)成比例的压力差，供二次装置进行流量显示。二次装置称显示仪表。它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示．差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置(皮托管、均速管等)。二次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表．差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系，故流量显示仪表都配有开平方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。这种利用差压测量流量的方法历史悠久，比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场合，约占各种流量测量方式的70％。发电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计。(4)变面积式流量计(等压降式流量计)放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动。当此作用力与浮子的“显示重量”(浮子本身的重量减去它所受流体的浮力)相平衡时，俘子即静止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的通流截面积随浮子高度不同而异，而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等，因此该型流量计称变面积式流量计或等压降式流量计。该式流量计的典型仪表是转子(浮子)流量计。(5)动量式流量计(5)动量式流量计利用测量流体的动量来反映流量大小的流量计称动量式流量计．由于流动流体的动量P与流体的密度及流速v的平方成正比，即p

v2，当通流截面确定时，v与容积流量Q成正比，故p

Q2。设比例系数为A，则Q＝A因此，测得P，即可反映流量Q．这种型式的流量计，大多利用检测元件把动量转换为压力、位移或力等，然后测量流量。这种流量计的典型仪表是靶式和转动翼板式流量计。利用冲量定理测量流量的流量计称冲量式流量计，多用于测量颗粒状固体介质的流量，还用来测泥浆、结晶型液体和研磨料等的流量。流量测量范围从每小时几公斤到近万吨。典型的仪表是水平分力式冲量流量计，其测量原理是当被测介质从一定高度h自由下落到有倾斜角的检测板上产生一个冲力，冲力的水平分力马质量流量成正比，故测量这个水平分力即可反映质量流量的大小。按信号(九)的检测方式，该型流量计分位移检测型和直接测力型。(6)冲量式流量计电磁流量计电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。其测量精度和灵敏度都较高。工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。可测最大管径达2m，而且压损极小。但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。超声波流量计超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小