超声波流量计及其传感器基础应用

超声波流量计由超声波换能器、电子转换线路、流量显示累积系统三个部分组成。超声波换能器采用铸铁酸铅压电元件制作，利用压电效应发射和接收声波，通过检测流体对超声束(或超声脉冲)的影响来测量流体体积流量。

超声波流量计的原理：传递的声讯号穿过管道内流动的介质时，其传递速度受介质流动速度的影响。

声讯号在两个传感器之间的传递时间取决于管道内介质的流速。一个声讯号通过上游的时间要比它通过下游的时间长。这个时间差值dt与管道内介质的流速vf成比例。如图1所示。

V：介质流速；θ：声速与液体流动方向的夹角；

M：声束在液体的直线传播次数；

D：管道内径；Tup：声束在顺流时的传播时间；

Tdown：声束在逆流时的传播时间；△T=Tup-Tdown。

当超声波波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时间的变化正比于液体的流速，零流量时，两个传感器发射和接收声波所需的时间完全相同（唯一可实际测量零流量的技术）；介质流动时，逆流方向的声波传输时间大于顺流方向的声波传输时间。其关系符合上述表达式。

目前所使用的超声波流量计系统主要有以下两种工作原理：

1.1 速度法：

管道内介质流速vf按以下公式求得：

vf=(L/2cosβ)[dt/(t1 t2)] (1)

式中：t1，t2分别代表声讯号通过上游与下游时间；

dt为声讯号通过上游与下游的时间差；

L为声讯号通过路径长度；

β为代表管轴线与L之间角度。

1.2 环鸣系统法( Sing2around System)

如果在两个不同的方向上比较两条脉冲链的频率差，这个脉冲差与流体速度也成比例。

这是流速的基频表示法,与流体中的声速无关。

以上两种对流体流速的算法的理论基础是相同的，其流体流速vf的理论值也是基本相同的。利用不同的二次仪表设置不同的流量系数均可显示其容积流量。

性能特点：

(1) 适用于各种管径流量的高精度计量，其流量和管径越大，精确度越高；

(2) 测量范围(量程比)很宽，一般为1：40～1：160，最大能达到1：300；

(3) 重复性很高，能实现双向流量计量；

(4) 流量计本体无压力损失，可精确测量脉动流；

(5) 节能，可大大降低长输管道增压费用；

(6) 不受沉积物或湿气的影响，无可动部件；

(7) 所需上下游直管段较短(上游为10D，下游为3D)；

(8) 无磨损，示值无零点漂移现象，偏移误差小；

(9) 动态计量范围宽；

(10) 不受涡流和流速剖面变化的影响；

(11) 不受压力、温度、分子量、气体组分变化的影响；

(12) 不需要重复标定。

流量计性能对比：

表1 为流量计性能对比表。

表1 流量计性能对比表

应用：

1.计量流体体积流量

作为流量计使用时，其流量范围是很宽的，可以双向计量，对于黏度较高、甚至小流量的流体亦可计量。同时，它的维修费用较低。它没有机械零件处于管线之中，不受其他介质影响，不需要调正和控制，也不需停产操作。但是超声波流量计的精度依赖于介质特性。其补偿技术是必须的，为了简化补偿系数f，必须在管线上游保留10倍直径的直管段和在下游保留5倍直径的直管段。对于在一定安装条件和流体特性条件下可确定一个实际的流量系数进行补偿。

2.泄漏检测

在正常情况下输送管道的入口流量应完全等于该管道出口流量。如果不等，那么泄漏现象就一定存在。如果两计量仪表之间的计量读数改变并超过了额定精度，就可发现泄漏现象。计量仪表越精确，检测泄漏量也越准确。但是对于大口径管道检测时，由于有温度和压力的影响，其温度和压力变化的补偿量也须考虑。如一个DN1000的管线，其温度变化10℃，容积也相应变化0.8%。一个DN1000，长100km的管线在0.1MPa压力变化下能引起10m3的容积变化。鉴于这种情况，两组流量计之间距离不得太长。其距离越短，越易检测出泄漏情况 。

误差分析：

1.噪声影响

超声波流量计可能会受附近超声波噪声源的不利影响。这种噪声源包括减少可听见噪声的无噪声阀、压力调节器和管道的其他重要节流部件。流量计生产厂家正在积极地解决这个问题。计量站设计人员应向生产厂家请求协助。现场经验表明：最好找出流量计上游潜在的噪声源，在流量计和噪声源之间设置弯头会有助于减轻额外的超声波噪声。

2.流体清洁度影响

超声波传送器表面的堆积物(压缩机油、冷凝液等) 可能会使装置不经过流体传送超声波脉冲。这可能会引起所谓的超声波路径“脱落”，路径“脱落”会增加计量误差。在测量气体流量时，气流装位置相同时，初始容积较大的空气罐能更有效地控制水击压力的产生，也就是空气罐越大越好。但在实际工程中，其大小要受经济，外观等因素的约束。空气罐的容量通常用试算方法确定1。图5为空气罐的不同安装位置对A 处压力变化的影响。从图5可以看出，空气罐安装在不同的位置对管道的压力影响也不同。空气罐安装在B 处时，对A处发生的水击控制不大，而且还有增强水击的可能性，也就是其水击压力可能大于安装空气罐时的水击压力。

就管道系统终端阀门瞬时关闭的情况，在输液管道上适当的位置安装容积一定的空气罐能有效地控制水击的发生。空气罐的初始容积越大，越能有效控制水击；空气罐安装在某些位置且罐的容积较小时，安装空气罐后的水击压力有时会大于不安装空气罐时的水击压力。

可选配传感器：

一体式超声波冷／热量表：

一体式超声波冷/热量表避免了外缚式和插入式传感器在安装过程中由于人为和管道因素产生的误差。具有精度高、量程比宽、无压力损失、安装简单等优点。

分体式超声波冷／热量表：

固定分体式超声波冷／热量表广泛应用于供热管网的在线计量。主机分为壁挂标准型、壁挂防爆型、盘装型和本地显示型，传感器分为外缚式、插入式、管段式等。

传感器：

插入式传感器：

安装时在被测管道上使用专用开孔工具打孔，将传感器和被测介质直接接触测量，可带压不停产安装。该款传感器解决了外缚式传感器在测量结垢较厚的管道时不易接收到信号及长时间测量信号衰减的问题，具有不停产安装、免维护、与管径无关、无压力损失等特点。

管段式传感器：

管段式传感器是采用法兰将管段传感器与被测管路直接连接的一种测量方式，该传感器解决了外缚式和插入式传感器在安装过程中由于人为或被测管道参数不准确引起的误差而造成测量精度下降的问题，具有测量精度高，稳定性好、免维护等特点。

安装工况要求：

安装点选择：

为保证测量精度和稳定性，传感器的安装点要选择在流场分布均匀的直管段部分。

安装测试井的建筑施工要求：

注意事项：

在管道轴线水平位置±45°范围内安装传感器；

将主机壳体接地。

传感器安装位置应避开法兰、焊缝、变径。

留足够空间便于人能直立工作。

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