超聲波流量計技術(shù)講座實(shí)用教案

1、1超聲波流量計第1頁/共24頁第一頁，共25頁。2第2頁/共24頁第二頁，共25頁。3時差(shch)法超聲波流量計的工作原理第3頁/共24頁第三頁，共25頁。4時差(shch)(shch)法超聲波流量計的工作原理（續(xù)1 1）第4頁/共24頁第四頁，共25頁。5超聲波的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性 2.1 2.1 優(yōu)點(diǎn) USFUSF可作非接觸測量。夾裝式換能器USFUSF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USFUSF在工業(yè)用流量儀表中具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此可作移動性（即非定點(diǎn)固定安裝）測量，適用于管網(wǎng)流動狀況評估測定。 USFUSF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

2、可從實(shí)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(biāo)定(bio dn)(bio dn)，除帶測量管段式外一般不需作實(shí)流校驗(yàn)。 USFUSF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(rèn)為在無法實(shí)現(xiàn)實(shí)流校驗(yàn)的情況下是優(yōu)先考慮的選擇方案。 多普勒USFUSF可測量固相含量較多或含有氣泡的液體。 USFUSF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(bǔ)充。 因易于實(shí)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(yán)重畸變測量，非圓截面管道測量等。 某些傳播時間法USFUS

3、F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倉底水。第5頁/共24頁第五頁，共25頁。6超聲波的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性（續(xù)1 1） 2.2 缺點(diǎn)和局限性 傳播(chunb)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。 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(yán)重衰減超聲信號）或銹蝕嚴(yán)重（改變超聲傳播(chunb)路徑）的管道。 多普勒法USF多數(shù)情況下測量精度不高。 國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)有品種不

4、能用于管徑小于DN25mm的管道。第6頁/共24頁第六頁，共25頁。7超聲波的分類(fn li)和結(jié)構(gòu) 3.1 組成 USF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(tngchng)還需配用安裝夾具和耦合劑。 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）第7頁/共24頁第七頁，共25頁。8第三節(jié) 分類(fn li)(fn li)和結(jié)構(gòu)（續(xù)2 2） 3.2 3.2

5、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(jìn)行分類。 （1 1） 按測量原理分類封閉管道用USFUSF按測量原理有5 5種，如2 2節(jié)所述，現(xiàn)在用得最多的是傳播(chunb)(chunb)時間法和多普勒法兩大類。 （2 2） 按被測介質(zhì)分類第8頁/共24頁第八頁，共25頁。9超聲波的分類(fn li)和結(jié)構(gòu)（續(xù)3）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

6、、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(fnb)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 （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） 固定安裝第9頁/共24頁第九頁，共25頁。10超聲波的選用考慮(kol)要點(diǎn) 4.1 4.1 測量原理的選擇 選擇液體用USFUSF首先考慮測量原理是傳播(

7、chunb)(chunb)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1 1所示。 需插入1 1個表格及一段描述第10頁/共24頁第十頁，共25頁。11超聲波的選用(xunyng)(xunyng)考慮要點(diǎn)（續(xù)1 1） 4.2 適用懸浮顆粒含量的范圍 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(yunl)，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

8、應(yīng)用，應(yīng)在換能器的上游進(jìn)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(yán)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11頁/共24頁第十一頁，共25頁。12超聲波的選用考慮(kol)(kol)要點(diǎn)（續(xù)2 2） 4.3 4.3 測量精確度（1 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(jbn)(jbn)誤差為0.50.5R R至5 5FSFS，重復(fù)性為0.10.1R-R-0.30.3R R；氣體基本(jbn)(jbn)誤差為0.50.5R R到3 3FSFS，重復(fù)性為0.20.2R-0.4R-0.4FSFS，高精度儀表均為多聲道儀表。中小口徑

9、液體管段式超聲流量傳感器通常都用水做實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)，具有0.50.5R R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(biāo)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(xì)致，測量精確度有可能低到5 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(jìn)一步討論。第12頁/共24頁第十二頁，共25頁。13超聲波的選用考慮(kol)(kol)要點(diǎn)（續(xù)3 3） （2） 多普勒法 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

10、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。 多普勒法USF性能因受以下(yxi)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)性而不列測量精確度或基本誤差。 流體運(yùn)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13頁/共24頁第十

11、三頁，共25頁。14超聲波的選用(xunyng)(xunyng)考慮要點(diǎn)（續(xù)4 4） 4.4 4.4 聲道設(shè)置和直管段要求(yoqi)(yoqi) 多普勒法USFUSF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USFUSF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 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(yoqi)(yoqi)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），以及管徑大小。例如BS7405BS7405推薦管徑大于0.5m0.5m用3 3或4 4聲道，達(dá)于3m3m則用8 8聲道單聲道從

12、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10.210.2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USFUSF，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USFUSF，特別是大管徑應(yīng)用，通常為3-83-8聲道）。為了獲得流體沿管道中心平行對稱地流動，測量點(diǎn)上下游要有足夠的長度直

13、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USFUSF直管段長度要求(yoqi)(yoqi)尚未有國際標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，應(yīng)按制造廠提供的規(guī)定。表2 2例舉幾個不同來源提出的要求(yoqi)(yoqi)，可作為選型時的一般依據(jù)。第14頁/共24頁第十四頁，共25頁。15超聲波的選用(xunyng)(xunyng)考慮要點(diǎn)（續(xù)4 4） （2） 多普勒法 插1表格(biog)第15頁/共24頁第十五頁，共25頁。16超聲波的選用考慮(kol)(kol)要點(diǎn)（續(xù)5 5） 對多普勒法USF的直管段要求也沒有國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)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

14、。一種看法認(rèn)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(yīng)保證照射測量域的上下游有足夠(zgu)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(rèn)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(diǎn)上下游保持大于（3-5）DN的直管段。第16頁/共24頁第十六頁，共25頁。17超聲波的選用考慮(kol)(kol)要點(diǎn)（續(xù)6 6） 4.

15、5 4.5 換能器類型的選擇 （1 1） 傳播時間法 本類儀表(ybio)(ybio)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USFUSF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USFUSF。 （2 2） 多普勒法本類儀表(ybio)(ybio)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

16、兩者適用管道條件是基本相同的。第17頁/共24頁第十七頁，共25頁。18超聲波的選用考慮(kol)(kol)要點(diǎn)（續(xù)7 7） 4.6 4.6 安裝布置方面的考慮 1 1） 安裝位置和流動方向 USF USF的流量傳感部分(b fen)(b fen)（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(diǎn)的后續(xù)管道，以防止測量點(diǎn)出現(xiàn)非滿管流。 2 2）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(diǎn)兩側(cè)直管段長度均應(yīng)按上游直管段的要求布置。 3 3）管道條件

17、 外夾裝式USFUSF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(b (b fen)fen)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 V法的反射處必須避開焊縫和接口（參見圖1111）。第18頁/共24頁第十八頁，共25頁。19超聲波的選用(xunyng)(xunyng)考慮要點(diǎn)（續(xù)7 7） 4） 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(dāng)長度

18、的上游直管段。前文已對直管段要求作了討論。 5） 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(shf)避免之。例如德國Instromet公司的USF顯示儀中有聲干擾實(shí)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19頁/共24頁第十九頁，共25頁。20超聲波的選用考慮(kol)(kol)要點(diǎn)（續(xù)8 8） 4.7 經(jīng)濟(jì)因素方面的考慮 小口徑USF與其他流量儀表相比價格較貴，然而(rn r)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

19、應(yīng)用受到一些限制。然而(rn r)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USF的機(jī)動性和可以多處使用，儀表購置費(fèi)可分?jǐn)偨o各測量點(diǎn)，從而降低測量成本。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)。因?yàn)檫@些校驗(yàn)或調(diào)試在出廠前進(jìn)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)場考核其精確度，或者測量位置流場畸變嚴(yán)重必須作實(shí)流標(biāo)定，在測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。第20頁/共24頁第二十頁，共25頁。21超聲波的安裝(nzhu

20、ng)(nzhung)注意事項(xiàng) 5.1 5.1 流量傳感器或換能器的安裝 （1 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 1） 安裝本類流量傳感器時管網(wǎng)必須停流，測量點(diǎn)管道必須截斷后接入流量傳感器。 2 2）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 1以內(nèi)。 3 3）流量傳感器上的傳感器盡可能在如圖1010所示與水平直徑成4545度的范圍內(nèi)，避免在垂直直徑位置附近安裝。否則在測量液體(yt)(yt)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。4 4）測量液體(yt)(yt)時安裝位置必須充滿液體(yt)(yt)。5 5）上下游應(yīng)有必要的直管段。第21頁/共24頁第二十一頁，共25頁。22超聲波的安裝(nzhung)(nzhung)注意事項(xiàng)（續(xù)1 1） （2）外夾裝式換能器的安裝。 上面2）、3）、4）、5）各項(xiàng)應(yīng)同樣注意外，還應(yīng)注意以下各點(diǎn)。1）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。避免局部凹陷，凸出(t ch)物修平，漆銹層磨凈。