超聲波流量計原理與應用

1、超聲波流量計原理與應用第1頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三1.基本原理 封閉管道用超聲波流量計按測量原理分類有：傳播時間法；多普勒效應法；波束偏移法；相關法；噪聲法。本章將討論用得最多的傳播時間法和多普勒效應法的儀表。1.1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之關系求取流速，稱之傳播時間法。按測量具體參數(shù)不同，分為時差法、相位差法和頻差法?，F(xiàn)以時差法闡明工作原理。第2頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三1.基本原理第3頁，共34頁，2022年，5月

2、20日，10點16分，星期三1.基本原理1.1.1流速方程式如圖8-1所示，超聲波逆流從換能器1送到換能器2的傳播速度c被流體流速Vm所減慢，為： (1)反之，超聲波順流從換能器2傳送到換能器1的傳播速度則被流體流速加快，為： (2) 式（1）減式（2），并變換之，得 第4頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三1.基本原理 (3) 式中： L超聲波在換能器之間傳播路徑的長度，m X傳播路徑的軸向分量，m; t12、t21從換能器1到換能器2和從換能器2到換能器1的傳播時間，s; c超聲波在靜止流體中的傳播速度，m/s; Vm流體通過換能器1、2之間聲道上平均流速，m/s。

3、時（間）差法與頻（率）差法和相差法間原理方程式的基本關系為(4)第5頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三1.基本原理(5)式中 f頻率差； 相位差； f21,f12超聲波在流體中的順流和逆流的傳播頻率； f超聲波的頻率。 從中可以看出，相位差法本質(zhì)上和時差法是相同的，而頻率與時間有時互為倒數(shù)關系，三種方法沒有本質(zhì)上的差別。目前相位差法已不采用，頻差法的儀表也不多。第6頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三1.基本原理1.1.2流量方程式 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

4、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。此外，對于夾裝式換能器儀表，還必須對折射角受溫度變化進行補償，才能精確的測得流量。體積流量qv為(6) 式中 K流速分布修正系數(shù)，即聲道上線平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比，K=vm/v；DN管道內(nèi)徑。第7頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三1.基本原理1.2多普勒（效應）法 多普勒（效應）法超聲波流量計是利用在靜止（固定）點檢測從移動源發(fā)射聲波多產(chǎn)生多普勒頻移現(xiàn)象。1.2.1流速方程式第8頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三1.基本原理 如圖8-2所示，超聲換能器A向流體

5、發(fā)出頻率為fA的連續(xù)超聲波，經(jīng)照射域內(nèi)液體中散射體懸浮顆?；驓馀萆⑸洌⑸涞某暡óa(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(7) 式中 v散射體運動速度。 多普勒頻移fd正比于散射體流動速度(8) 第9頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三1.基本原理 測量對象確定后，式（8）右邊除v外均為常量，移行后得(9)1.2.2流量方程式 多普勒法超聲波流量計的流量方程式形式上與式（6）相同，只是所測得的流速是各散射體的速度v（代替式中的vm），與載體液體管道平均流速數(shù)值并不一致；方程式中流速分布修正系數(shù)Kd以代替K0 Kd是散射體的“照射域”在管中心附近的系

6、數(shù)；其值不適用于在大管徑或含較多散射體達不到管中心附近就獲得散射波的系數(shù)。 第10頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三2 主要技術性能 2.1超聲波流量計的優(yōu)點 超聲波流量計可作非接觸測量。夾裝式換能器超聲波流量計可無需停流截管安裝，只要在既設管道外部安裝換能器即可。這是超聲波流量計在工業(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。 超聲波流量計為無流動阻撓測量，無額外壓力損失。 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，除帶測量管段式外一般不需作實流校驗。超聲波流量計適用于大型圓形

7、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。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。 多普勒超聲波流量計可測量固相含量較多或含有氣泡的液體。超聲波流量計可測量非導電性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計的一種補充。第11頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三2 主要技術性能 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。某些傳播時間法超聲波流量計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

8、岸，可核查所測量的是油品還是倉底水。2.2超聲波流量計的缺點和局限 傳播時間法超聲波流量計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；反之多普勒法超聲波流量計只能用于測量含有一定異相的液體。 外夾裝換能器的超聲波流量計不能用于襯里或結垢太厚的管道，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。 多普勒法超聲波流量計多數(shù)情況下測量精度不高。 國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)有品種不能用于管徑小于DN25mm的管道 。第12頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三3超聲波流量計的分類和結構 3.1組成 超聲波流量計

9、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)換器在結構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?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。圖8-3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法夾裝式超聲波流量計。3.2 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。3.2.1按測量原理分類 閉管道用超聲波流量計按測量原理有5種，傳播時間法；多普勒效應法；波束偏移法；相關法；噪聲法。，現(xiàn)在用得最多的是傳播時間法和多普勒法兩大類。第13頁，共34頁，2

10、022年，5月20日，10點16分，星期三3超聲波流量計的分類和結構3.2.2按被測介質(zhì)分類 有氣體用和液體用兩類。傳播時間法超聲波流量計兩種介質(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。第14頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三3超聲波流量計的分類和結構3.2.3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8-4）

11、，又可分為以下幾種。1） 單聲道 有Z法（透過法）和V法（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。 第15頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三3超聲波流量計的分類和結構第16頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三4 完好條件4.1零部件完整，符合技術要求。即： a.名牌應清洗無誤； b.零部件應完好齊全并規(guī)格化； c.緊固件不得松動； d.可調(diào)件應處于可調(diào)位置； e.所配保護保溫應完好無損；4.2運行正常符合作用要求，即： a.運行時，

12、儀表應達到規(guī)定的性能指標； b.正常工況下，儀表示值應在全量程的20%80%4.3設備及環(huán)境整齊、潔凈、符合工作要求，即： a.整機應清潔、無銹蝕、漆層應平整、光亮、無脫落； b.儀表線路應敷設整齊，均要做固定安裝； c.線路標號應齊全、清晰、準確。第17頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型 5.1 測量原理的選擇 選擇液體用超聲波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，測量精度要求?；具m用條件如表8-1所示。條件傳播時間法多普勒法適用液體水類(江河水，海水農(nóng)業(yè)用水等),油類（純凈燃油，潤滑油，食用油等），化學試

13、劑，藥液等含雜質(zhì)多的水(下水，污水，農(nóng)業(yè)用水等)，漿類(泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等)，油類(非凈燃油，重油，原油等)適用懸浮顆粒含量體積含量50100mg/L儀表基本誤差帶測量管段式(0.5-1)%R(3-10)%FS固體粒子含量基本不變時(0.5-3)%濕式大口徑多聲道濕式小口徑單聲道1.5%R-3%R夾裝式(范圍度20：1)重復性誤差0.1%-0.3%1%信號傳輸電纜長度100-300m,在能保證信號質(zhì)量的前提下,可以小于100m30m價格較高一般較低第18頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型 此外，對于外夾裝式儀表還要考慮管壁材料和厚度、銹蝕狀況、襯里材料和

14、厚度；對于現(xiàn)場安裝換能器式儀表要考慮換能器類型；對于大管徑傳播時間法儀表要考慮聲道數(shù)，等等。下文將分節(jié)討論。 5.2適用懸浮顆粒含量的范圍 多普勒法超聲波流量計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。 傳播時間法超聲波流量計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。在這種情況下應用，應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。第19頁，共3

15、4頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型5.3測量精確度5.3.1傳播時間法 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，重復性為0.1R-0.3R；氣體基本誤差為0.5R到3FS，重復性為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)設置

16、及其布置位置，下文將進一步討論。第20頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型5.3.2多普勒法 典型儀表的基本誤差為（1-10）FS，重復性為（0.2-1）FS。工業(yè)用多普勒法超聲波流量計的超聲波頻率為0.5-2MHz。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系，隨著不同狀況而變化，有一定不確定性。 多普勒法超聲波流量計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

17、體間的滑差。因此有些制造廠的技術數(shù)據(jù)僅列出儀表的重復性而不列測量精確度或基本誤差。 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。第21頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型5.4聲道設置和直管段要求 多普勒法超聲波流量計通常只有單套發(fā)送和接收換能器；便攜式外夾裝換能器傳播時間法超聲波流量計通常也只有單聲道，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。5.4.1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

18、流件組成和直管段條件），以及管徑大小。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。第22頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型 確定聲道數(shù)有的可按儀表樣本規(guī)范選擇（如管段式超聲波流量計，除單聲道外較多采用雙聲

19、道計量聲道以上），有的則向儀表制造場聯(lián)系磋商（如現(xiàn)場安裝式超聲波流量計，特別是大管徑應用，通常為3-8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。不能滿足時應設置流動調(diào)整器。 傳播時間法超聲波流量計直管段長度要求尚未有國際標準或國家標準規(guī)定值，應按制造廠提供的規(guī)定。表8-2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)。表8-2 傳播時間法超聲波流量計直管段要求第23頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型上游管路阻流件種類單聲道最短長度例一(1)單聲道最短長度例二(2)雙聲道最短長度(3)上游下游上游下游上游下游同心

20、漸縮管105155無要求無要求同心漸擴管3051個90度圓角彎管105205105T形管50102個90度圓角彎管2551052個90度直角彎管405105全開閘閥205各類閥(包括控制閥)3010505155泵50無要求第24頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型5.4.2多普勒法 對多普勒法超聲波流量計的直管段要求也沒有國際標準和國家標準的規(guī)定值。人們對多普勒法超聲波流量計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”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，還應保證照

21、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)會認為多普勒法超聲波流量計所需直管段長度一般應是傳播時間法的1.5倍。然而另一種看法是：多普勒法超聲波流量計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3-5DN的直管段。第25頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型5.5換能器類型的選擇5.5.1傳播時間法 本類儀表可采用換能器的類型較多，各廠家換能器結構不同，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

22、。此外還與聲道的設置方法有關，而聲道的設置方法又與測量精度和重復性等密切相關。氣體用超聲波流量計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超聲波流量計。5.5.2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)射頻率等技術性能不同，不能混用。然而兩者適用管道條件是基本相同的。第26頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型5.6安裝布置方面的考慮1） 安裝位置和流動方向超聲波流量計的流量傳感部分（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

23、最好選擇自下而上流動的場所，若為自上而下，則其下游應有足夠的背壓，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。2） 單向流還是雙向流 通常為單向流，但也可通過較復雜電子線路，設計成雙向流動，此時流量測量點兩側(cè)直管段長度均應按上游直管段的要求布置。3） 管道條件 外夾裝式超聲波流量計管道內(nèi)表面積沉積層會產(chǎn)生聲波不良傳輸和偏離預期聲道路徑和長度，應予避免；外表面因易于處理較少影響。夾裝式換能器和管道接觸表面要涂上耦合劑。應注意粒狀結構材料（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法的反設處必須避開

24、焊縫和接口（參見圖8-5）。4） 上游流動擾動 與大部分其他流量儀表一樣，超聲波流量計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。第27頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型5） 防止聲干擾 應注意由控制閥高壓力降等所形成的聲學干擾，特別在測量氣體流量時尤為重要，設法避免之。例如Instromet公司的超聲波流量計顯示儀中有聲干擾實時測量報警；測量管道中采用如圖9所示彎管阻斷聲干擾的措施。第28頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三5 選型5.7經(jīng)濟因素方面的考慮 小口徑超聲波流量計與其他流量儀表相比

25、價格較貴，然而非管段式超聲波流量計價格并不明顯增加。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。 外夾裝式便攜式超聲波流量計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。 超聲波流量計的流量校驗費用，外夾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)。 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

26、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，則應考慮其校驗費用。第29頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三6 安裝6.1詳細了解現(xiàn)場情況超聲波流量計在安裝之前應了解現(xiàn)場情況，包括：1安裝傳感器處距主機距離為多少；2管道材質(zhì)、管壁厚度及管徑；3管道年限；4流體類型、是否含有雜質(zhì)、氣泡以及是否滿管；5流體溫度；6安裝現(xiàn)場是否有干擾源（如變頻、強磁場等）；7主機安放處四季溫度；8使用的電源電壓是否穩(wěn)定；9是否需要遠傳信號及種類； 根據(jù)以上提供的現(xiàn)場情況，廠家可針對現(xiàn)場情況進行配置，必要情況下也可特制機型。第30頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三6 安裝6.2選擇安裝位置 選擇安裝管段對測試精度影響很大，所選管段應避開干擾和渦流這兩種對測量精度影響較大的情況，一般選擇管段應滿足下列條件：1、避免在水泵、大功率電臺、變頻，即有強磁場和震動干擾處安裝機器；2、選擇管材應均勻致密，易于超聲波傳輸?shù)墓芏危?、要有足夠長的直管段，安裝點上游直管段必須要大于10D（注：D=直徑），下游要大于5D；4、安裝點上游距水泵應有30D距離；5、流體應充滿管道；6、管道周圍要有足夠的空間便于現(xiàn)場人員操作，地下管道需做測試井，測試井如下：第31頁，共34頁，2022年，5月20日，10點16分，星期三6 安裝6.3確定