超聲波流量計(jì)工作原理概述

工作原理封閉管道用USF按測(cè)量原理分類有：①傳播時(shí)間法；②多普勒效應(yīng)法；③波束偏移法；④相關(guān)法；⑤噪聲法。本文將爭(zhēng)論用得最多的傳播時(shí)間法和多普勒效應(yīng)法的儀表。傳播時(shí)間法聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會(huì)增大，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間。利用傳播速度之差與被測(cè)流體流速之關(guān)系求取流速，稱之傳播時(shí)間法。按測(cè)量具體參數(shù)不同，分為時(shí)差法、相位差法和頻差法。多普勒〔效應(yīng)〕法多普勒〔效應(yīng)〕法USF是利用在靜止〔固定〕點(diǎn)檢測(cè)從移動(dòng)源放射聲波多產(chǎn)生多普勒頻移現(xiàn)象?！?〕流速方程式發(fā)送器向流體發(fā)的超聲信號(hào),假設(shè)流體中有固體顆?；驓馀荽嬖?則會(huì)產(chǎn)生散射.當(dāng)測(cè)量管道內(nèi)的流體流淌時(shí),散射出來(lái)的聲波信號(hào)的頻率和放射聲波頻率是不一樣的,即會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移,頻移量和流體的流速成正比.如下圖，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)照耀域內(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BfB依據(jù)超聲波流量計(jì)使用場(chǎng)合不同，可以分為固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)適用的場(chǎng)合不同式超聲波流量計(jì)具有很大的機(jī)動(dòng)性，主要用于對(duì)不同管道的流體流量作臨時(shí)性測(cè)量。供電方式不同固定式超聲波流量計(jì)要求長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，所以要使用220V溝通電源，便攜式超聲波流量計(jì)既可以使用現(xiàn)場(chǎng)的溝通電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5～10h［小時(shí)］，大大便利了不同場(chǎng)合臨時(shí)性流量測(cè)量的需要。局部功能不同因定式超聲波流量計(jì)，通常都有4-20mA信號(hào)輸出等功能，供遠(yuǎn)傳顯示使用，但其內(nèi)部只能存貯一條管道的換能器供電方式不同可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計(jì)。外貼式貼即用，它充分表達(dá)了超聲波流量計(jì)安裝簡(jiǎn)潔、使用便利的特點(diǎn)。管段式某些管道因材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴(yán)峻，襯里和管道內(nèi)空間有間隙等緣由，導(dǎo)致超聲波信號(hào)衰減嚴(yán)峻，用外貼式超聲波流量計(jì)無(wú)法正常測(cè)量，所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計(jì)。器。插入式插入式超聲波流量計(jì)介于上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用特地工具在有水的管道上打孔，把換所以其測(cè)量不受管質(zhì)和管襯材料限制。超聲波流量計(jì)的選型多譜勒式超聲波流量計(jì)的工廠過(guò)程液等。要留意它對(duì)被測(cè)介質(zhì)要求比較苛刻，即不能是干凈水，同時(shí)雜技含量要相對(duì)穩(wěn)定，才可以正常便攜式超聲波流量計(jì)適用于臨時(shí)性測(cè)量，主要用于校對(duì)管道上已安裝其它流量?jī)x表的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)展一個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體平衡測(cè)試，檢查管道的當(dāng)時(shí)流量狀況等。假設(shè)不作固定安裝，而用于這些用途時(shí)，選用便攜式超聲波流量計(jì)既便利又經(jīng)濟(jì)。時(shí)差式超聲波流量計(jì)10g/L，粒徑小于1mm)的均勻流體，如污水等介質(zhì)的流量，而且精度可達(dá)±1.5%。實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明，選用時(shí)差式超聲波流量計(jì)，對(duì)相應(yīng)流體的測(cè)量都可以到達(dá)滿足的效果。管道式超聲波流量計(jì)精度最高，可到達(dá)±0.5%，而且不受管道材質(zhì)、襯里的限制，適用于流量測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合。但隨著管徑的增大，本錢也會(huì)隨增加，通常狀況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計(jì)，較為經(jīng)濟(jì)。固定式超聲波流量計(jì)的影響，測(cè)量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護(hù)工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應(yīng)用正在不斷推廣。超聲波流量計(jì)的應(yīng)用正確選擇具體選型原則，前面已做了具體的介紹。合理安裝換能器安裝不合理是超聲波流量計(jì)不能正常工作的主要緣由。安裝換能器需要考慮位置確實(shí)定和方式的選擇兩個(gè)問(wèn)題。確定位置時(shí)除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要留意換能器盡量避開(kāi)有變頻調(diào)速囂、電焊機(jī)等污染電源的場(chǎng)合。在安裝方式上，主要有對(duì)貼安裝方式和VZ3。多譜勒式超聲波流量計(jì)承受對(duì)V方式和Z300mmV200mmZVZ說(shuō)明，Z準(zhǔn)時(shí)核校對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝固定式超聲波流量計(jì)數(shù)量大、范圍廣的用戶，可以配備一臺(tái)同類型的便攜式超聲波流量計(jì)，用于核校現(xiàn)場(chǎng)儀表的狀況。一是堅(jiān)持一裝一校，即對(duì)每一臺(tái)裝超聲波流量計(jì)在安裝調(diào)試時(shí)進(jìn)展核校，確保選位好、安裝好、測(cè)量準(zhǔn)；二是對(duì)在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)發(fā)生流量突變時(shí)，要利用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)展準(zhǔn)時(shí)核校，查清流量突變的緣由，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實(shí)發(fā)生了變化.定期維護(hù)無(wú)潛在漏水，只需定期檢查換能器是否松動(dòng)，與管道之間的粘合劑是否良好即可；插入式超聲波流量計(jì)，要定期行。故障排解超聲波流量計(jì)常見(jiàn)的故障緣由及排解故障的方法如表：1故障分析表故障現(xiàn)象 故障緣由 排解方法無(wú)信號(hào)信號(hào)強(qiáng)度不夠瞬時(shí)流量穩(wěn)定，0但比實(shí)際值偏大瞬時(shí)流量波動(dòng)大

換能器與主機(jī)之間聯(lián)線斷開(kāi)消滅的電源污染換能器位置移動(dòng)換能器聲楔消滅故障流體受到干擾，流態(tài)不穩(wěn)

重連接凈化電源重調(diào)整換能囂位置更換換能器更換換能器位置瞬時(shí)與累計(jì)流量不全都

主機(jī)阻尼系數(shù)設(shè)置太小增大陰尼系數(shù)主機(jī)消滅故障 更換主機(jī)6優(yōu)缺點(diǎn)和局限性6優(yōu)缺點(diǎn)和局限性優(yōu)點(diǎn)USF可作非接觸測(cè)量。夾裝式換能器USF可無(wú)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?jī)x表中具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此可作移動(dòng)性〔即非定點(diǎn)固定安裝〕測(cè)量，適用于管網(wǎng)流淌狀況評(píng)估測(cè)定USF般不需作實(shí)流校驗(yàn)。USF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(jià)根本上與管徑無(wú)關(guān)。對(duì)于大型管道不僅帶來(lái)便利，可認(rèn)為在無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)流校驗(yàn)的狀況下是優(yōu)先考慮的選擇方案。多普勒USF可測(cè)量固相含量較多或含有氣泡的液體。USF因易于實(shí)行與測(cè)試方法〔如流速計(jì)的速度-面積法，示蹤法等〕相結(jié)合，可解決一些特別測(cè)量問(wèn)題，如速度分布嚴(yán)峻畸變測(cè)量，非圓截面管道測(cè)量等。某些傳播時(shí)間法USF品上岸，可核查所測(cè)量的是油品還是倉(cāng)底水。缺點(diǎn)和局限性傳播時(shí)間法USF只能用于清潔液體和氣體，不能測(cè)量懸浮顆粒和氣泡超過(guò)某一范圍的液體；反之多普勒法USF只能用于測(cè)量含有肯定異相的液體。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〔假設(shè)夾層夾有氣體會(huì)嚴(yán)峻衰減超聲信號(hào)〕或銹蝕嚴(yán)峻〔轉(zhuǎn)變超聲傳播路徑〕的管道。多普勒法USF多數(shù)狀況下測(cè)量精度不高。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)有品種不能用于管徑小于DN25mm的管道。77組成USF主要由安裝在測(cè)量管道上的超聲換能器〔或由換能器和測(cè)量管組成的超聲流量傳感器〕和轉(zhuǎn)換器組成。轉(zhuǎn)換7體用傳播時(shí)間法單聲道ZUSF.分類可以從不同角度對(duì)超聲流量測(cè)量方法和換能器〔或傳感器〕進(jìn)展分類。按測(cè)量原理分類封閉管道用USF52按被測(cè)介質(zhì)分類有氣體用和液體用兩類。傳播時(shí)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100~300kHz1~5MHz按換能器安裝方式分類有、可移動(dòng)安裝固定安裝聲道設(shè)置和直管段要求多普勒法USFUSF夾裝式則也有用雙聲道者，帶測(cè)量管段式有單聲道和雙聲道以上?！?〕傳播時(shí)間法傳播時(shí)間法承受多少聲道的主要依據(jù)是測(cè)量準(zhǔn)確度要求和安裝儀表管段流淌狀〔取決于上游阻流件組成和直管段條件〕，以及管徑大小。例如BS74050.5m343m8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。流淌速度分布畸變和存在徑向速度重量〔如渦流、二次流〕則會(huì)轉(zhuǎn)變?cè)撓禂?shù)值，弦位置的影響比直徑位置的影響小。多聲道測(cè)量多路徑線平均流速，更削減流淌畸變影響，提高測(cè)量精度。確定聲道數(shù)有的可按儀表樣本標(biāo)準(zhǔn)選擇〔如管段式USF，除單聲道外較多承受雙聲道計(jì)量聲道以上〕，有的則向儀表制造場(chǎng)聯(lián)系磋商〔如現(xiàn)場(chǎng)安裝式USF3-8〕。流淌調(diào)整器。安裝布置方面的考慮安裝位置和流淌方向USF的流量傳感局部〔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淌的場(chǎng)所，假設(shè)為自上而下，則其下游應(yīng)有足夠的背壓，例如有高于測(cè)量點(diǎn)的后續(xù)管道，以防止測(cè)量點(diǎn)消滅非滿管流。單向流還是雙向流通常為單向流，但也可通過(guò)較簡(jiǎn)單電子線路，設(shè)計(jì)成雙向流淌，此時(shí)流量測(cè)量點(diǎn)兩側(cè)直管段長(zhǎng)度均應(yīng)按上游直管段的要求布置。管道條件外夾裝式USF外外表因易于處理較少影響。夾裝式換能器和管道接觸外表要涂上耦合劑。應(yīng)留意粒狀構(gòu)造材料〔例如鑄鐵、混凝土〕的管道，很可能聲波被分散，大局部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〔參見(jiàn)圖11〕。上游流淌擾動(dòng)與大局部其他流量?jī)x表一樣，USF敏感于流過(guò)儀表的流速分布剖面，因此也要求相當(dāng)長(zhǎng)度的上游直管段。前文已對(duì)直管段要求作了爭(zhēng)論。例如Instromet公司的USF9所示彎管阻斷聲干擾的措施。7.8經(jīng)濟(jì)因素方面的考慮小口徑USFUSF到一些限制。然而上有擾動(dòng)大而直管段布置受限制的場(chǎng)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USF的機(jī)動(dòng)性和可以多處使用，儀表購(gòu)置費(fèi)可分?jǐn)偨o各測(cè)量點(diǎn)，從而降低測(cè)量本錢。USF的流量校驗(yàn)費(fèi)用，外夾裝式儀表通常不作實(shí)流校驗(yàn)，僅作靜態(tài)調(diào)試，液體用儀表可充實(shí)液調(diào)試；管段式儀表為提高儀表精度，均作實(shí)流校驗(yàn)。由于這些校驗(yàn)或調(diào)試在出廠前進(jìn)展，一般包括在價(jià)格內(nèi)。大管徑儀表為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度或用戶需要在現(xiàn)場(chǎng)考核其準(zhǔn)確度，或者測(cè)量位置流場(chǎng)畸變嚴(yán)峻必需作實(shí)流標(biāo)定，在測(cè)量原位用速度面積法等方法在線校驗(yàn)，則應(yīng)考慮其校驗(yàn)費(fèi)用。8.1流量傳感器或換能器的安裝流量傳感器〔即帶測(cè)量管段的插入式換能器總成〕的安裝安裝本類流量傳感器時(shí)管網(wǎng)必需停流，測(cè)量點(diǎn)管道必需截?cái)嗪蠼尤肓髁總鞲衅?。連接流量傳感器的管道內(nèi)徑必需與流量傳感器一樣，其差異應(yīng)在±1％以內(nèi)。流量傳感器上的傳感器盡可能在如圖1045度的范圍內(nèi)，避開(kāi)在垂直直徑位置四周安裝。否則在測(cè)量液體時(shí)換能器聲波外表易受氣體或顆粒影響，在測(cè)量氣體時(shí)受液滴或顆粒影響。測(cè)量液體時(shí)安裝位置必需布滿液體。上下游應(yīng)有必要的直管段。外夾裝式換能器的安裝。上面2〕、3〕、4〕、5〕各項(xiàng)應(yīng)同樣留意外，還應(yīng)留意以下各點(diǎn)。剝凈安裝段內(nèi)保溫層和保護(hù)層，并把換能器按裝處的壁面打磨干凈。避開(kāi)局部凹陷，凸出物修平，漆銹層磨凈?！惨?jiàn)11〕，以獲得彎管流場(chǎng)畸變后較接近的平均值。換能器安裝處和管壁反射處必需避開(kāi)接口和焊縫，如圖12以V法例如。換能器安裝處的管道襯里和垢層不能太厚。襯里、銹層與管壁間不能有間隙。對(duì)于銹蝕嚴(yán)峻的管道，可用手錘震擊管壁，以震掉壁上的銹層，保證聲波正常傳播。但必需留意防止擊出凹坑。換能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。多普勒法夾裝式換能器安裝有對(duì)稱安裝和同側(cè)安裝兩種方法，如圖13所示。對(duì)稱安裝適用于中小管徑〔通常小于600mm〕管道和含懸浮顆?；驓馀葺^少的液體；同側(cè)安裝適用于各種管徑的管道和含懸浮顆?；驓馀葺^多的液體。故障現(xiàn)象作承受信號(hào)有連續(xù)噪聲大儀表不能正常工作正向流量顯示“-“號(hào)流量顯示變化太大流量顯示誤差太大

緣由液體中含懸浮固體顆粒較多管道1襯里或結(jié)垢較厚2換能器1換能器自身衰減換能器間距不準(zhǔn)確安裝位置不準(zhǔn)確松動(dòng)或外力而位移與管壁耦合不良轉(zhuǎn)換器未作好增益調(diào)整入1設(shè)定不對(duì)或硬件故障上下游換能器的電纜接反流速不穩(wěn)定直管段太短引起流淌不穩(wěn)換能器安裝位置不對(duì)或滑動(dòng)與管壁耦合不良流速太小超