超声波流量计工作原理及分类和选型应用.docx

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超声波流量计工作原理及分类和选型应用

超声波流量计工作原理及分类和选型应用

2010年12月13日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：

1、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）

适用悬浮颗粒含量

体积含量<1%（包括气泡）时不影响测量准确度

浊度>50－100mg/L

仪表基本误差

带测量管段式

±%R

±（3-10）%FS固体粒子含量基本不变时±%

湿式大口径多声道

湿式小口径单声道

±%R-±3%R

夹装式（范围度20：

1）

重复性误差

%%

1%

信号传输电缆长度

100-300m,在能保证信号质量的前提下,可以小于100m

<30m

价格

较高

一般较低

根据现场工况安装方式

1、便携式超声波流量计

便携式超声波流量计具有很大的机动性，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，检查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。

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5～10h［小时］，大大方便了不同场合临时性流量测量的需要。

便携式超声波流量计只是为了现场查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

2、固定式超声波流量计

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；固定式超声波流量计要求长期连续运行，所以要使用220V交流电源，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。

超声流量计（以下简称USF）是通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。

本文主要讨论用于测量封闭管道液体流量的USF。

20世纪70年代随着电子技术的发展，性能日益完善的各种型号USF投入市场。

有人预言由于USF测量原理是长度与时间两个基本量的结合，其导出量溯源性较好，有可能据此建立流量基准。

第一节　工作原理封闭管道用USF按测量原理分类有：

①传播时间法；②多普勒效应法；③波束偏移法；④相关法；⑤噪声法。

本文将讨论用得最多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。

传播时间法声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。

利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，称之传播时间法。

按测量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频差法。

现以时差法阐明工作原理。

（1）流速方程式超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢

（1）反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快

（2）式

（1）减式

（2），并变换之，得（3）式中L――超声波在换能器之间传播路径的长度，m;X――传播路径的轴向分量，m;t12、t21――从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间，s;c――超声波在静止流体中的传播速度，m/s;Vm――流体通过换能器1、2之间声道上平均流速，m/s。

时（间）差法与频（率）差法和相差法间原理方程式的基本关系为（4）（5）式中△f――频率差；△φ――相位差；f21,f12――超声波在流体中的顺流和逆流的传播频率；f――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――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（Snall）定律式（7）和图2，声道角θ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θ角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。

（7）式中φ0－超声在声楔中的入射角；φ1、φ－超声在管壁、流体中的折射角；c0、c1、c－声楔、管壁、被测流体的声速。

θ角不但受流体声速影响，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（例如高低温换能器工作温度范围-40-200℃）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。

多声道仪表常用高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；Wi－各声道高斯积分加权数；Li－各声道长度；Vi－各声道线平均流速；θi－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K0Kd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c，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c0取代，以减小用液体声速时的影响。

因为从图6可知cosθ=sinφ,再按斯纳尔定律sinφ/c＝sinφ0/c0，式（11）便可得式（12），其中c0/sinφ0可视为常量。

（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，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，可核查所测量的是油品还是仓底水。

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100~300kHz之间，液体在1~5MHz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）、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

2010-3-1917:

26:

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　　●插入式超声流量计：

可不停产安装和维护。

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、三角堰、矩形堰和全宽堰，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、P－B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。

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，超声速度测量可选择单声道、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量的原则，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f1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f1之差即为多谱勒频差fd。

　　当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，c、f1、θ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5～10h［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查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。

　　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，检查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1mm）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±%，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流量计，其特点是采用数字电路处理信号，纠错能力增强，取样及时，精度提高（模拟电路的精度为±%，数字电路可以达到±%），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：

　　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。

　　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是流量确实发生了变化。

定期维护

与其他流量仪表相比，超声波流量计的维护量是比较小的。

对于外贴换能器超声波流量计，安装以后无水压损失，无潜在漏水，只需定期检查换能器是否松动，与管道之间的粘合剂是否良好即可；插入式超声波流量计，要定期清理