超聲波流量計技術(shù)講座

1、1 超聲波流量計技術(shù)講座 揚子石化公司計量中心站彭俊杰 2009年7月 2 超聲波流量計 3 4 時差法超聲波流量計的工作原理 5 時差法超聲波流量計的工作原理（續(xù)1） 6 超聲波的超聲波的優(yōu)缺點和局限性優(yōu)缺點和局限性 n2.1 2.1 優(yōu)點優(yōu)點 nUSF可作非接觸測量。夾裝式換能器USF可無需停流截管安裝，只要在既設(shè)管 道外部安裝換能器即可。這是USF在工業(yè)用流量儀表中具有的獨特優(yōu)點，因此 可作移動性（即非定點固定安裝）測量，適用于管網(wǎng)流動狀況評估測定。 nUSF為無流動阻撓測量，無額外壓力損失。 n流量計的儀表系數(shù)是可從實際測量管道及聲道等幾何尺寸計算求得的，既可 采用干法標定，除帶測量管

2、段式外一般不需作實流校驗。 nUSF適用于大型圓形管道和矩形管道，且原理上不受管徑限制，其造價基本上 與管徑無關(guān)。對于大型管道不僅帶來方便，可認為在無法實現(xiàn)實流校驗的情 況下是優(yōu)先考慮的選擇方案。 n多普勒USF可測量固相含量較多或含有氣泡的液體。 nUSF可測量非導(dǎo)電性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計的一種補充。 n因易于實行與測試方法（如流速計的速度-面積法，示蹤法等）相結(jié)合，可解 決一些特殊測量問題，如速度分布嚴重畸變測量，非圓截面管道測量等。 n某些傳播時間法USF附有測量聲波傳播時間的功能，即可測量液體聲速以判斷 所測液體類別。例如，油船泵送油品上岸，可核查所測量的是油品還是

3、倉底 水。 7 超聲波的超聲波的優(yōu)缺點和局限性（續(xù)優(yōu)缺點和局限性（續(xù)1 1） n2.2 缺點和局限性缺點和局限性 n傳播時間法USF只能用于清潔液體和氣體，不能測量 懸浮顆粒和氣泡超過某一范圍的液體；反之多普勒法 USF只能用于測量含有一定異相的液體。 n外夾裝換能器的USF不能用于襯里或結(jié)垢太厚的管道， 以及不能用于襯里（或銹層）與內(nèi)管壁剝離（若夾層 夾有氣體會嚴重衰減超聲信號）或銹蝕嚴重（改變超 聲傳播路徑）的管道。 n多普勒法USF多數(shù)情況下測量精度不高。 n國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)有品種不能用于管徑小于DN25mm的管道。 8 超聲波的超聲波的分類和結(jié)構(gòu)分類和結(jié)構(gòu) n3.1 組成組成 nUSF主要由

4、安裝在測量管道上的超聲換能器（或由換 能器和測量管組成的超聲流量傳感器）和轉(zhuǎn)換器組成。 n轉(zhuǎn)換器在結(jié)構(gòu)上分為固定盤裝式和便攜式兩大類。 n換能器和轉(zhuǎn)換器之間由專用信號傳輸電纜連接，在固 定測量的場合需在適當?shù)牡胤窖b接線盒。 n夾裝式換能器通常還需配用安裝夾具和耦合劑。 n圖7是系統(tǒng)組成示例，此例是測量液體用傳播時間法 單聲道Z法夾裝式USF。（見后頁） 9 第三節(jié)第三節(jié) 分類和結(jié)構(gòu)（續(xù)分類和結(jié)構(gòu)（續(xù)2 2） n3.2 3.2 分類分類 可以從不同角度對超聲流量測量方法和換能器（或傳感器）進行分類。 n（1） 按測量原理分類 封閉管道用USF按測量原理有5種，如2節(jié)所述，現(xiàn)在用得最多的是傳 播時

5、間法和多普勒法兩大類。 n（2） 按被測介質(zhì)分類 10 超聲波的超聲波的分類和結(jié)構(gòu)（續(xù)分類和結(jié)構(gòu)（續(xù)3 3） n有氣體用和液體用兩類。傳播時間法 USF兩種介質(zhì)各自專用，因換能器工作 頻率各異，通常氣體在100300kHz之 間，液體在15MHz之間。氣體儀表不 能用夾裝式換能器，因固體和氣體邊 界間超聲波傳播效率較低。 （3）傳播時間法按聲道數(shù)分類：按聲道 數(shù)分類常用的有單聲道、雙聲道、四聲 道和八聲道四種。近年有出現(xiàn)三聲道、 五聲道和六聲道。四聲道及以上的多聲 道配置對提高測量精度起很大作用。 各聲道按換能器分布位置（見圖8）， 又可分為以下幾種。 1） 單聲道 有Z法（透過法）和V法 （

6、反射法）兩種。 2） 雙聲道 有X法（2Z法、交差法）、 2V法和平行法三種。 3） 四聲道 有4Z法和平行法兩種。 4） 八聲道 有平行法和兩平行四聲 道交差法二種。 （4） 按換能器安裝方式分類有： 1） 可移動安裝 2） 固定安裝 11 超聲波的超聲波的選用考慮要點選用考慮要點 n4.1 4.1 測量原理的選擇測量原理的選擇 選擇液體用USF首先考慮測量原理是傳播時間法 還是多普勒法？其主要判斷要素是：液體潔凈程 度或雜質(zhì)含量，測量精度要求。基本適用條件如 表1所示。 n 需插入1個表格及一段描述 12 超聲波的超聲波的選用考慮要點（續(xù)選用考慮要點（續(xù)1 1） n4.2 適用懸浮顆粒含量

7、的范圍適用懸浮顆粒含量的范圍 n多普勒法USF要比傳播時間法適用懸浮顆粒含量上限 高得多，而且可以測量連續(xù)混入氣泡的液體。但是根 據(jù)測量原理，被測介質(zhì)中必須含有一定數(shù)量的散射體， 否則儀表就不能正常工作。 n傳播時間法USF可以測量懸浮顆粒很少的液體，但不 能測量含有影響超聲波傳播的連續(xù)混入氣泡或體積較 大固體物的液體。在這種情況下應(yīng)用，應(yīng)在換能器的 上游進行消氣、沉淀或過濾。在懸浮顆粒含量過多或 因管道條件致使超聲信號嚴重衰減而不能測量時，有 時可以試降低換能器頻率，予以解決。 13 超聲波的超聲波的選用考慮要點（續(xù)選用考慮要點（續(xù)2 2） n4.3 4.3 測量精確度測量精確度 （1）傳播

8、時間法 傳播時間法比多普勒法有較高的測量精確度，液體 基本誤差為0.5R至5FS，重復(fù)性為0.1R- 0.3R；氣體基本誤差為0.5R到3FS，重復(fù) 性為0.2R-0.4FS，高精度儀表均為多聲道儀表。 中小口徑液體管段式超聲流量傳感器通常都用水做實 驗校驗，具有0.5R的高精度。管外夾裝換能器或 在現(xiàn)場管道固定安裝換能器的儀表，要通過定標計算 接入現(xiàn)場管道流通面積和傳播距離長度測量誤差，夾 裝在管道的不確定性，聲耦合變化等因素，要降低些。 若安裝調(diào)試粗糙不細致，測量精確度有可能低到5， 甚至更低。測量精確度還取決于聲道數(shù)設(shè)置及其布置 位置，下文將進一步討論。 14 超聲波的超聲波的選用考慮要

9、點（續(xù)選用考慮要點（續(xù)3 3） n（2） 多普勒法 n典型儀表的基本誤差為（1-10）FS，重復(fù)性為（0.2-1） FS。工業(yè)用多普勒法USF的超聲波頻率為（0.5-2）MHz。多普勒信 號包含著不同散射體移動速度的頻譜，檢測電路提供多普勒頻移 若干平均測量值以求的速度。所測的散射體速度和流體平均流速 之間的關(guān)系，隨著不同狀況而變化，有一定不確定性。 n多普勒法USF性能因受以下一些原因所形成的因素影響，整體性能 要比傳播時間法低得多。例如：散粒體的性質(zhì)；非軸向速度分量 形成的多普勒頻移增寬；被照射域位置的不確定性；散射體和基 相液體間的滑差。因此有些制造廠的技術(shù)數(shù)據(jù)僅列出儀表的重復(fù) 性而不列

10、測量精確度或基本誤差。 n流體運行流速不能過低，過低的流速會使離散體分布不均勻。若 測量管水平安裝，氣體會浮升在頂部流動，顆粒會沉淀于底部。 最低流速通常為（0.1-0.6）。 15 超聲波的超聲波的選用考慮要點（續(xù)選用考慮要點（續(xù)4 4） n4.4 4.4 聲道設(shè)置和直管段要求聲道設(shè)置和直管段要求 多普勒法USF通常只有單套發(fā)送和接收換能器；便攜式外夾裝換能器傳播時 間法USF通常也只有單聲道，其他夾裝式則也有用雙聲道者，帶測量管段式有 單聲道和雙聲道以上。 （1） 傳播時間法 傳播時間法采用多少聲道的主要依據(jù)是測量精確度要求和安裝儀表管段流 動狀況（取決于上游阻流件組成和直管段條件），以及

11、管徑大小。例如 BS7405推薦管徑大于0.5m用3或4聲道，達于3m則用8聲道 單聲道從單一路徑的線平均流速乘上系數(shù)代表平均流速。單一路徑聲道的換 能器設(shè)置通常是通過管道中心，即在橫截面投影圓的直徑上，其系數(shù)即如圖 10.2所示。也右聲道設(shè)置在弦的位置上。流動速度分布畸變和存在徑向速度 分量（如渦流、二次流）則會改變該系數(shù)值，弦位置的影響比直徑位置的影 響小。多聲道測量多路徑線平均流速，更減少流動畸變影響，提高測量精度。 確定聲道數(shù)有的可按儀表樣本規(guī)范選擇（如管段式USF，除單聲道外較多采 用雙聲道計量聲道以上），有的則向儀表制造場聯(lián)系磋商（如現(xiàn)場安裝式USF， 特別是大管徑應(yīng)用，通常為3-

12、8聲道）。 為了獲得流體沿管道中心平行對稱地流動，測量點上下游要有足夠的長度直 管段作有效整流。不能滿足時應(yīng)設(shè)置流動調(diào)整器。 傳播時間法USF直管段長度要求尚未有國際標準或國家標準規(guī)定值，應(yīng)按制 造廠提供的規(guī)定。表2例舉幾個不同來源提出的要求，可作為選型時的一般依 據(jù)。 16 超聲波的超聲波的選用考慮要點（續(xù)選用考慮要點（續(xù)4 4） n（2） 多普勒法 插1表格 17 超聲波的超聲波的選用考慮要點（續(xù)選用考慮要點（續(xù)5 5） n對多普勒法USF的直管段要求也沒有國際標準和國家標準 的規(guī)定值。人們對多普勒法USF直管段要求程度在看法上 也迥然不同。一種看法認為：從原理上講多普勒法僅測量 “照射域

13、”內(nèi)散射體的流速，其測量值受流速分布影響比 傳播時間法大。為了盡量減少這種影響，除了采取其他一 些方法外，還應(yīng)保證照射測量域的上下游有足夠長度的直 管段，以得到較好的流動狀態(tài)。例如日本電氣計測工業(yè)會 認為多普勒法USF所需直管段長度一般應(yīng)是傳播時間法的 1.5倍。然而另一種看法是：多普勒法USF本身測量精確度 等性能較低，流速分布影響相對于總體測量精確度不重要， 直管段要求反而降低。例如有儀表制造廠提出只要在測量 點上下游保持大于（3-5）DN的直管段。 18 超聲波的超聲波的選用考慮要點（續(xù)選用考慮要點（續(xù)6 6） n4.5 4.5 換能器類型的選擇換能器類型的選擇 n（1） 傳播時間法 本

14、類儀表可采用換能器的類型較多，各廠家換能器結(jié)構(gòu) 不同，適用的流體條件（溫度、壓力等）、管道條件（材 質(zhì)、形狀、管徑、直管長度等）和安裝條件等也不相同。 此外還與聲道的設(shè)置方法有關(guān)，而聲道的設(shè)置方法又與測 量精度和重復(fù)性等密切相關(guān)。氣體用USF因固體和氣體界 面間超聲波傳播效率非常低，只能用直射式換能器。因此 氣體流量測量一般不采用外夾裝式USF。 n（2） 多普勒法 本類儀表用的折射式換能器。目前國內(nèi)產(chǎn)品大部分采用夾 裝式，但與傳播時間法所用的夾裝式換能的發(fā)射頻率等技 術(shù)性能不同，不能混用。然而兩者適用管道條件是基本相 同的。 19 超聲波的超聲波的選用考慮要點（續(xù)選用考慮要點（續(xù)7 7） n

15、4.6 4.6 安裝布置方面的考慮安裝布置方面的考慮 n1） 安裝位置和流動方向 USF的流量傳感部分（超聲流量傳感器 或超聲換能器）一般均可安裝于水平、傾斜或垂直管道。垂直管 道最好選擇自下而上流動的場所，若為自上而下，則其下游應(yīng)有 足夠的背壓，例如有高于測量點的后續(xù)管道，以防止測量點出現(xiàn) 非滿管流。 n2）單向流還是雙向流 通常為單向流，但也可通過較復(fù)雜電子線 路，設(shè)計成雙向流動，此時流量測量點兩側(cè)直管段長度均應(yīng)按上 游直管段的要求布置。 n3）管道條件 外夾裝式USF管道內(nèi)表面積沉積層會產(chǎn)生聲波不良傳 輸和偏離預(yù)期聲道路徑和長度，應(yīng)予避免；外表面因易于處理較 少影響。夾裝式換能器和管道接

16、觸表面要涂上耦合劑。應(yīng)注意粒 狀結(jié)構(gòu)材料（例如鑄鐵、混凝土）的管道，很可能聲波被分散， 大部分聲波傳送不到流體而降低性能。換能器安裝處管道襯里或 銹蝕層與管壁之間不能有縫隙。用V法的反射處必須避開焊縫和接 口（參見圖11）。 20 超聲波的超聲波的選用考慮要點（續(xù)選用考慮要點（續(xù)7 7） n4） 上游流動擾動 與大部分其他流量儀表一樣，USF敏感 于流過儀表的流速分布剖面，因此也要求相當長度的上游 直管段。前文已對直管段要求作了討論。 n5） 防止聲干擾 應(yīng)注意由控制閥高壓力降等所形成的聲 學(xué)干擾，特別在測量氣體流量時尤為重要，設(shè)法避免之。 例如德國Instromet公司的USF顯示儀中有聲干

17、擾實時測量 報警；測量管道中采用如圖9所示彎管阻斷聲干擾的措施。 21 超聲波的超聲波的選用考慮要點（續(xù)選用考慮要點（續(xù)8 8） n4.7 經(jīng)濟因素方面的考慮經(jīng)濟因素方面的考慮 n 小口徑USF與其他流量儀表相比價格較貴，然而非管段式USF價 格并不明顯增加。所以用于大口徑、超大口徑儀表有明顯價格優(yōu) 勢。多聲道儀表有較復(fù)雜電子計算部件，價格要高些，因此在要 求高精度的中小管徑上應(yīng)用受到一些限制。然而上有擾動大而直 管段布置受限制的場所，多聲道系統(tǒng)可能是僅有的合理解決方案。 n外夾裝式便攜式USF的機動性和可以多處使用，儀表購置費可分 攤給各測量點，從而降低測量成本。 USF的流量校驗費用，外夾

18、裝式儀表通常不作實流校驗，僅作靜 態(tài)調(diào)試，液體用儀表可充實液調(diào)試；管段式儀表為提高儀表精度， 均作實流校驗。因為這些校驗或調(diào)試在出廠前進行，一般包括在 價格內(nèi)。 n大管徑儀表為了提高測量精確度或用戶需要在現(xiàn)場考核其精確度， 或者測量位置流場畸變嚴重必須作實流標定，在測量原位用速度 面積法等方法在線校驗，則應(yīng)考慮其校驗費用。 22 超聲波的超聲波的安裝注意事項安裝注意事項 n5.1 5.1 流量傳感器或換能器的安裝流量傳感器或換能器的安裝 n（1）流量傳感器（即帶測量管段的插入式換能器總成）的安裝 1） 安裝本類流量傳感器時管網(wǎng)必須停流，測量點管道必須截斷后接 入流量傳感器。 n2）連接流量傳感器的管道內(nèi)徑必須與流量傳感器相同，其差別應(yīng)在 1以內(nèi)。 n3）流量傳感器上的傳感器盡可能在如圖10所示與水平直徑成45度的 范圍內(nèi)，避免在垂直直徑位置附