_超聲流量計的原理及應(yīng)用

1、梧 州 學(xué) 院 課 程 論 文(2014 -2015學(xué)年第一學(xué)期)超聲流量計的原理及應(yīng)用目錄摘要.11.超聲流量計的原理及特點.21.1傳播時間法31.1.1流速方程式.31.1.2流量方程式.41.1.3直接時差法.41.1.4頻率差法.51.1.5相位差法.61.2多普勒效應(yīng)法.72.超聲流量計的組成.93.選用與安裝事項.103.1測量原理的選擇103.2注意事項.114.超聲流量計的應(yīng)用前景.12參考文獻.13超聲流量計的原理及應(yīng)用摘要：最近幾年，隨著石油和天然氣工業(yè)的強勢增長，以及行業(yè)對于現(xiàn)場設(shè)備技術(shù)的逐步接受，超聲波流量計的全球市場總額將在未來幾年內(nèi)高速的年增長率增長。超聲波流量計

2、正快速發(fā)展成為流量測量領(lǐng)域，尤其是計量碳氫化合物的首選。那什么是超聲流量計呢? 超聲流量計是通過檢測流體流動時對超聲束（或超聲脈沖）的作用，以測量體積流量的儀表。超聲流量計是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的一種非接觸式儀表，適用于不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量的測量。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。而超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有波長短、頻率高、繞射現(xiàn)象小等特點，特別適用于方向性好、射線穩(wěn)定的檢測。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。最重要的是，超聲波碰到雜質(zhì)

3、或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。下面我們來討論一下超聲流量計的測量。關(guān)鍵詞：流量測量；超聲流量計；多普勒效應(yīng)一、超聲流量計的原理及特點超聲波流量計的基本原理是超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息，可以通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。超聲流量的測量方法是各式各樣的，根據(jù)測量原理可以分類為：傳播時間法；多普勒（效應(yīng)）法；波束偏移法；相關(guān)法；噪聲法。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響，是一種理想的節(jié)能型流量計。如圖1所示，在被測官道上、下游的一定距離上，分

4、別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中（F1，T1）的超聲波是順流傳播的，而（F2，T2）的超聲波是逆流傳播的。根據(jù)這兩束超聲波在流體中傳播的速度不同，采用測量兩接收探頭上上傳播傳播的時間差、相位差或頻率差等方法，可測量出流體的平均速度及流量。圖1 超聲流量計的原理超聲流量計可做非接觸測量；無流動阻撓測量，無額外壓力損失；適用于大型圓形管道和矩形管道；多普勒超聲流量計可測量固相含量較多或含有氣泡的液體；超聲流量計可測量非導(dǎo)電性的液體，在無阻撓的流量測量方面是對電磁流量計的一種補充。更簡單地說，超聲流量計就是超聲波傳感器。其最大特點是：探頭可裝在被測管道的外壁，實現(xiàn)非

5、接觸測量，既不干擾流場，又不受流場參數(shù)的影響。其輸出與流量基本上成線性關(guān)系，精度一般可達1%，其價格不隨管道直徑的增大而增加，因此特別適合大口徑管道和混有雜質(zhì)或腐蝕性液體的測量。另外，超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。1.傳播時間法聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會增大，逆流

6、方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時間。利用傳播速度之差與被測流體流速的關(guān)系求取流速，稱之為傳播時間法。按測量具體參數(shù)不同，又可分為時差法、相位差法和頻差法。（1）流速方程式如圖2所示，超聲波順流從換能器A發(fā)送到換能器B的傳播速度c被流體流速vm所加快，在管道中流動的速度進行矢量分解為vAB=c+vmXsin反之，超聲波逆流從換能器B傳送到換能器A的傳播速度則唄流體流速vm減慢，在管道中流體的速度進行矢量分解為vAB=c-vmXsin從而有流體在兩個傳送探頭之間傳播的路程為LAB=LBA=D/cos圖2 傳播時間法工作原理(2)流量方程式在得到流體流速vm后，就可以計算出管道中流體的流量q

7、v，即qv=vmXS,其中S為管道的內(nèi)徑對應(yīng)的面積。傳播時間法所測量和計算的流速是聲道上的線平均流速，而計算流量所需的是流通橫截面的面平均流速，二者的數(shù)值是不同的，其差異取決于流速分布狀況。因此，必須用一定的方法對流速分布進行補償。（3）直接時差法直接時差法的基本工作原理如圖3所示。由于超聲波在流體中傳播時，順流傳播速度和逆流傳播速度不同，可以通過測量超聲波的順流傳播時間t1和逆流傳播時間t2的差值，從而計算出流體的流速和流量。設(shè)精致的流體中的聲速為c，流體的流動速度為v。把一組傳感器P1、P2與管道軸線安裝成角，兩個傳感器的距離為L。則從P1到P2順流發(fā)射時，聲波的傳播時間為t1=L/(c+

8、vcos)從P1到P2逆流發(fā)射時，聲波的傳播時間為t2=L/(c-vcos)一般情況下cv,則時差t=t1-t2=2Lvcos/c2。根據(jù)式中可求出v，并可求出流量Q。圖3 直接時差法的工作原理（4）頻率差法頻率差法與時間差、相位差相比不受溫度變化的影響，因而得到廣泛的應(yīng)用。其原理如圖4圖、5所示。F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器和接收器使用。首先由F1的發(fā)射出一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動電路，使F1發(fā)射第二個超聲脈沖,設(shè)在一個時間間隔t1內(nèi)，F(xiàn)1共發(fā)射了n1個脈沖，脈沖的重復(fù)頻

9、率f1=n1/n2。在緊接下去的另一個相同時間間隔t2(t2=t1)內(nèi)，與上述過程相反，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1做接收器。同理，可以測得F2的脈沖重復(fù)頻率為f2。經(jīng)推導(dǎo)，順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差f為：f=f1-f2。圖4 頻率差法測流量的原理圖5 頻率差法測流量的原理（5）相位差法在時差法的測量中，時間差t的量級很小，約為10-810-9s。測量t需要很復(fù)雜的電子儀器，所以常用測量連續(xù)超聲波在順流和逆流傳播時接收信號之間的相位差的方法，簡稱相差法來實現(xiàn)。設(shè)連續(xù)波的角頻率為w,則=wt=2wlvcos/c2因此，測出，即可求出v、Q。2（多普勒（效應(yīng)）法多普勒（效應(yīng)）法超聲計

10、是利用靜止點檢測來自移動原發(fā)射波而產(chǎn)生多普勒頻移現(xiàn)象原理，多普勒頻移正比于兩者之間的相對速度。多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。（1）流速方程式如圖6所示。超聲換能器A向流體發(fā)出頻率為fA的連續(xù)超聲波，經(jīng)照射局域內(nèi)液體中散射體懸浮顆?；驓馀萆⑸?，散射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移fd，接收換能器B收到頻率為fB的超聲波，其值為fA=fB（1-2vcos/c)式中，v為散射體運動速度。多普勒頻移fd正比于散射流動速度，即測量對象確定后，式中右邊除v外均為常量，整理后得v=cfd/(2cosfA)圖6 多普

11、勒法超聲波流量計原理圖（1） 散射體的影響實際上多普勒頻移信號；來自速度參差不齊的散射體，而所測得各散射體速度和載體液體平均流速的關(guān)系也有差別。氣體參量如散射粒度大小組合與流動時分布狀況、散射體流速非軸向分量、聲波唄散射體衰減程度等均影響頻移信號。二、組成超聲流量計主要由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。轉(zhuǎn)換器在結(jié)構(gòu)上分為固定盤裝式和便攜式兩大類。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(dāng)?shù)牡胤窖b接線盒。夾裝式換能器通常還需配用安裝夾具和耦合劑。如圖7所示，是系統(tǒng)組成示意圖，此例是測量液體用傳播時間法單聲道透過式傳輸流量

12、計。圖7 傳輸流量計組成三、選用與安裝事項1.測量原理的選擇選擇液體用超聲流量計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)含量和測量精度要求。基本適用條件見表1。表1 超聲流量計的基本適用條件條件傳播時間法多普勒法適用液體水類（江河水，海水等），油類（純凈燃油，潤滑油等），化學(xué)劑，藥液等含雜質(zhì)多的水（農(nóng)業(yè)用水等），漿類（泥漿，礦漿，化工料漿等），非凈燃油等適用懸浮顆粒含量體積含量5100mg/L儀表基本誤差帶測量管段式（0.51）%R（310）%FS固體粒子含量基本不變時（0.53）%濕式大口徑多聲道濕式小口徑單聲道1.5%R3%夾裝式（測量范圍20:1）重

13、復(fù)性誤差0.1%0.3%1%信號傳輸電纜長度100300m，能在保證信號質(zhì)量的前提下，可以小于100m30m價格較高較低2.注意事項（1） 超聲流量計的傳感安裝處必須避開接口和焊縫。（2） 傳感器工作面與管壁之間保持有足夠的耦合劑，不能有空氣和固體顆粒，以保證耦合良好。（3） 除去安裝在段內(nèi)保溫層和保護層，并把換能器安裝處的壁面打磨干凈。避免局部凹陷，凸出物修平，漆銹層磨凈。（4） 安裝本類流量傳感器時，官網(wǎng)必須停流，測量點管道必須截斷后接入流量傳感器。（5） 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)。（6） 流量計上的傳感器盡可能在與水平直徑成45的范圍內(nèi)，避免在垂直

14、直徑位置附近安裝。否則在測量液體時，換能器聲波表面易受氣體或顆粒影響，在測量氣體時受液滴或顆粒影響。（7） 測量液體時安裝位置必須充滿液體。（8） 上下游應(yīng)有必要的直管段。四、超聲流量計的應(yīng)用前景隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開展，各式各樣的傳感器的不斷發(fā)明和改進，檢測控制系統(tǒng)的傳感器和檢測技術(shù)手段的日新月異，都為多普勒超聲波流量計應(yīng)用開辟廣闊前景。最近幾年，由于煤油混合、煤水泥合燃料的輸送和應(yīng)用以及燃料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，幾乎為超聲流量計這種產(chǎn)品的使用帶來了許多的很好的效應(yīng)。超聲波流量計在這一領(lǐng)域的銷量比起以前將近翻了一倍。由于AGA9監(jiān)護運輸標(biāo)準的推廣，天然氣的監(jiān)護運輸市場已經(jīng)基本成形。不論是從技術(shù)上還是從經(jīng)濟上看，超聲波測量儀器都是流量測量的理想選擇。通過多光束和數(shù)字信號處理，超聲波測量儀可以實現(xiàn)很高的測量精確度。與傳統(tǒng)的渦輪式儀表不同，它沒有移動的元件，因此幾乎不需要維修。而且，它也不會阻擋或者減慢管道中氣體或者液體的流動。它能夠準確地測量液態(tài)石油氣產(chǎn)品的寬頻，而不需像機械型技術(shù)那樣得到驗證。高靈敏度使其可以檢測到管道中的任何泄漏，并可以測量和補充各種會影響監(jiān)護運輸領(lǐng)域中的測量準確度的變量。通過對超聲流量計的調(diào)查了解，我自己