超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)

2014.9.4超聲波流量計(jì)一、流量計(jì)的分類回顧二、聲波知識(shí)回顧三、超聲波流量測(cè)量基本原理四、超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)五、超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)六、超聲波流量計(jì)的安裝七、超聲波流量計(jì)主要故障流量計(jì)的分類回顧(1)力學(xué)原理；(2)電學(xué)原理；(3)聲學(xué)原理；(4)熱學(xué)原理；(5)光學(xué)原理；(6)原于物理原理；(7)其它原理：有標(biāo)記原理(示蹤原理、核磁共振原理)、相關(guān)原理等。一、按流量計(jì)測(cè)量原理分類流量計(jì)的分類回顧二、按流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理分類(1)容積式流量計(jì)(2)葉輪式流量計(jì)(3)差壓式流量計(jì)(變壓降式流量計(jì))(4)變面積式流量計(jì)(等壓降式流量計(jì))(5)動(dòng)量式流量計(jì)(6)沖量式流量計(jì)(7)電磁流量計(jì)(8)超聲波流量計(jì)(9)流體振蕩式流量計(jì)(10)質(zhì)量流量計(jì)聲波知識(shí)回顧它是由于物體振動(dòng)而產(chǎn)生的一種機(jī)械波1.聲波的振動(dòng)頻率小于20Hz的叫次聲波2.人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz～20000Hz叫可聞聲波3.聲波的振動(dòng)頻率大于20000Hz的叫超聲波超聲波的物理性質(zhì)超聲波波長(zhǎng)很短，近似直線傳播。對(duì)于液體，其傳播速度與液體的密度、壓縮性能有關(guān)，密度越小、壓縮系數(shù)越大，傳播速度越慢。對(duì)于氣體，其傳播速度與氣體的種類、壓力及溫度有關(guān)，溫度越高，傳播速度越快。對(duì)于固體，其傳播速度與固體的密度和彈性模量有關(guān)，密度越小、模量越大，傳播速度越快。（1）傳播特點(diǎn)（2）反射與折射1）反射定律

入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比，當(dāng)入射波和反射波的波形相同，波速相等時(shí)，反射角α′等于入射角α。2）折射定律

入射角α的正弦與折射角β的正弦之比等于入射波中介質(zhì)的波速C1與折射波中介質(zhì)的波速C2之比，即（3）傳播中的衰減超聲波在傳播中其強(qiáng)度會(huì)有衰減，衰減與傳播距離d、介質(zhì)密度有關(guān)，傳播距離越長(zhǎng)，衰減越多；介質(zhì)密度p越大，衰減越多超聲波的應(yīng)用（1）超聲波檢測(cè)：就是利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播的影響來進(jìn)行探查和測(cè)量的一門技術(shù)。超聲波檢測(cè)的最大特點(diǎn)是無損檢測(cè)。目前工業(yè)中的檢測(cè)主要用于金屬構(gòu)件、混凝土制品、塑料制品、陶瓷制品的探傷及厚度檢測(cè)；濃度、硬度、溫度檢測(cè)等；作為開關(guān)、用于測(cè)量距離等。流量、液位、料位檢測(cè)。超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)是通過檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束(或超聲脈沖)的作用以測(cè)量流量的儀表。

根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法(時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。超聲波流量測(cè)量基本原理超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度與在靜止介質(zhì)中的傳播速度不同，其變化量與介質(zhì)流速有關(guān)。測(cè)得這一速度變化量就能求得介質(zhì)的流速，進(jìn)而求出流量。超聲波在順、逆流中傳播的情況超聲波在順流中傳播時(shí)間超聲波在逆流中傳播的時(shí)間由于流體的聲速小的多，即流速比C>>u超聲波探頭在管外安裝傳播軌跡超聲波探頭一般是斜置在管道外部，傳播軌跡如右圖所示。介質(zhì)靜止時(shí)超聲波傳播軌跡為紅線，它與軸線之間的夾角為θ。當(dāng)介質(zhì)平均流速為時(shí)u，傳播的軌跡為虛線所示，它與軸線間夾角為速度差的測(cè)量方法速度Cu為兩個(gè)分速度向量和，為了使問題簡(jiǎn)化，認(rèn)為順流時(shí)Cu=C+ucosθ

，逆流時(shí)Cu=C-ucosθ

，二者之速度差為2ucosθ

，由于cosθ值是已知的，因此可得流體的速度u。時(shí)間差法測(cè)量方法由于速度非常大，根據(jù)速度、時(shí)間、距離三者之間的關(guān)系，若距離已知，測(cè)出時(shí)間，就可以知道速度。因此速度差的測(cè)量可以改為測(cè)量時(shí)間。即時(shí)間差法。時(shí)間差為：△t＝t2－t1=L/（C-Vcosθ）－L/（C+Vcosθ）＝2LVcosθ／（C2－V2cos2θ）由于C>>V，故V2cos2θ可以忽略不計(jì)則：△t＝2VLcosθ/C2

即：流體流速V＝△tC2/（2Lcosθ）超聲波流量計(jì)測(cè)量的原理相位差法頻率差法多普勒頻移法相位差法測(cè)量原理如果超聲波發(fā)生器發(fā)射連續(xù)超聲波脈沖或周期較長(zhǎng)的脈沖列，則在順流和逆流發(fā)射時(shí)所接收到的信號(hào)之間便產(chǎn)生相位差即：超聲波的角頻率由上式可知，當(dāng)測(cè)得后，即可求出u，進(jìn)而求得流量Q。此法用測(cè)量相位差代替了測(cè)量微小時(shí)差，有利于提高測(cè)量精度，但存在著聲速對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。頻率差法測(cè)量原理為了消除聲速的影響，常采用頻率差法。由前可知，上下游接收器接收到的超聲波的頻率之差可用下式表示：由上式可知，只要測(cè)得就可以求得流量Q，并且此法與聲速無關(guān)多普勒法測(cè)量原理當(dāng)聲源與目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起聲波在頻率上的變化正比于運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)和靜止的換能器之間的相對(duì)速度。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，不接觸測(cè)量介質(zhì)，一般用于含有顆粒和氣泡的液體或兩相流流體的流量測(cè)量。超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)（實(shí)圖照片）超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路和流量顯示三部分組成。根據(jù)超聲波換能器使用不同可分為：可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計(jì)1、外貼式外貼式超聲波流量計(jì)是生產(chǎn)最早，用戶最熟悉且應(yīng)用最廣泛的超聲波流量計(jì)，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現(xiàn)了超聲波流量計(jì)安裝簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。2、管道式：某些管道因材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴(yán)重，襯里和管道內(nèi)空間有間隙等原因，導(dǎo)致超聲波信號(hào)衰減嚴(yán)重，用外貼式超聲波流量計(jì)無法正常測(cè)量，所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計(jì)。

管段式超聲波流量計(jì)把換能器和測(cè)量管組成一體，解決了外貼式流量計(jì)在測(cè)量中的一個(gè)難題。而且測(cè)量精度也比其它超聲波流量計(jì)要高，但同時(shí)也犧牲了外貼式超聲波流量計(jì)不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn)，要求切開管道安裝換能器。3、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，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號(hào)的發(fā)射、接受只經(jīng)過被測(cè)介質(zhì)，而不經(jīng)過管壁和襯里，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)的特點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)：（1）超聲波流量計(jì)屬于非接觸式測(cè)量，對(duì)流體場(chǎng)無干擾，無阻力件，不產(chǎn)生壓力損失。（2）安裝方便。只要將管外壁打磨光，摸上硅油，使其接觸良好即可。（3）超聲波流量計(jì)受介質(zhì)物理性質(zhì)的限制比較少，適應(yīng)性較強(qiáng)。可測(cè)量各種介質(zhì)，適合于腐蝕性、粘性、混濁度大的流體，尤其是大管徑管道流體，而且測(cè)量精度高。（4）輸出信號(hào)為線性的。超聲波流量計(jì)的選型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表運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行一個(gè)區(qū)域內(nèi)流體平衡測(cè)試，檢查管道當(dāng)時(shí)流量情況等。

時(shí)差法超聲波流量計(jì)是目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍最廣泛是時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它主要用來測(cè)量潔凈流體流量，自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，到廣泛應(yīng)用。此外它也可以測(cè)量雜技含量不高(雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm)均勻流體，如污水等介質(zhì)流量，精度可達(dá)±1.5%采用數(shù)字電路處理信號(hào)，糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，取樣及時(shí)，精度提高(模擬電路精度為±1.5%，數(shù)字電路可以達(dá)到±1.0%)，而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號(hào)輸出模式供選擇。

超聲波流量計(jì)的安裝安裝換能器需要考慮位置確定和方式選擇兩個(gè)問題。確定位置時(shí)要注意換能器盡量避開有變頻調(diào)速器、電焊機(jī)等污染電源場(chǎng)合。為了保證儀表測(cè)量準(zhǔn)確度，應(yīng)選擇滿足一定條件的場(chǎng)所定位:通常選擇上游10D、下游5D以上直管段；上游30D內(nèi)不能裝泵、閥等擾動(dòng)設(shè)備。目前通常采用三種安裝方式:W型，V型，Z型。不同管徑和流體特性來選擇安裝方式，通常W型適用于小管徑(25～75mm)，V型(聲波反射式)適用于中管徑(25～250mm)，Z型(聲波直傳式)適用于大管徑(250mm以上)。優(yōu)選Z方式,實(shí)踐表明，Z方式安裝換能器超聲波信號(hào)強(qiáng)度高，測(cè)量穩(wěn)定性也好。Z方式安裝（1）直接透過法，又稱Z法，主要適用于流體以管軸為對(duì)稱軸沿管軸平行流動(dòng)的情形。Z方式安裝的換能器超聲波信號(hào)強(qiáng)度高，測(cè)量的穩(wěn)定性也好。D＞300mmV方式安裝（2）反射法，又稱V法，V法安裝超聲波信號(hào)行程增加一倍。適用于小管徑，管道條件好的流量測(cè)量。交叉方式安裝3）交叉法，又稱X法，同V法，是V法的變形。安裝距離受限制時(shí)。超聲波流量計(jì)主要故障超聲波流量計(jì)啟動(dòng)后，儀表沒有輸出信號(hào)或輸出信號(hào)誤差很大，可能出現(xiàn)以下問題：①兩換能器安裝位置不對(duì)；②儀表設(shè)定的管徑、襯里、流體等參數(shù)有誤；③換能器安裝在焊縫處、連接處、或流體不滿管，或管底有雜質(zhì)、泥沙等；④流體中氣泡太多，或渾濁度太高；⑤直管段長(zhǎng)度不夠，或附近有泵；⑥管道內(nèi)部有結(jié)垢，凹凸不平；⑦襯里太厚，有剝落；⑧換能器和轉(zhuǎn)換器間的電纜太長(zhǎng)；⑨附近有無線電波干擾。結(jié)束!謝謝?。?）力學(xué)原理:利用伯努利定理的差壓式、轉(zhuǎn)子、浮子式流量計(jì)；利用動(dòng)量定理的沖量式、可動(dòng)管式；利用牛頓第二定律的直接質(zhì)量式；利用流體動(dòng)量原理的靶式；利用角動(dòng)量定理的渦輪流量計(jì)；利用流體振蕩原理的旋渦式、渦街流量計(jì)；利用總靜壓力差的皮托管式以及容積式和堰、槽式等等。（2）電學(xué)原理:電磁流量計(jì)、差動(dòng)電容式、電感式、應(yīng)變電阻式等。（3）利用聲學(xué)原理進(jìn)行流量測(cè)量的有超聲波式．聲學(xué)式(沖擊波式)等。(4)熱學(xué)原理：利用熱學(xué)原理測(cè)量流量的有熱量式、直接量熱式、間接量熱式等。(5)光學(xué)原理：激光式、光電式等是屬于此類原理的儀表。(6)原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是屬于此類原理的儀表．(7)其它原理：有標(biāo)記原理(示蹤原理、核磁共振原理)、相關(guān)原理等。(1)容積式流量計(jì)容積式流量計(jì)相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容積的容器，它接連不斷地對(duì)流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行度量。流量越大，度量的次數(shù)越多，輸出的頻率越高。容積式流量計(jì)的原理比較簡(jiǎn)單，適于測(cè)量高粘度、低雷諾數(shù)的流體。根據(jù)回轉(zhuǎn)體形狀不同，目前生產(chǎn)的產(chǎn)品分：適于測(cè)量液體流量的橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)(羅茨流量計(jì))、旋轉(zhuǎn)活塞和刮板式流量計(jì)；適于測(cè)量氣體流量的伺服式容積流量計(jì)、皮膜式和轉(zhuǎn)簡(jiǎn)流量計(jì)等．葉輪式流量計(jì)葉輪式流量計(jì)的工作原理是將葉輪置于被測(cè)流體中，受流體流動(dòng)的沖擊而旋轉(zhuǎn)，以葉輪旋轉(zhuǎn)的快慢來反映流量的大小。典型的葉輪式流量計(jì)是水表和渦輪流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)可以是機(jī)械傳動(dòng)輸出式或電脈沖輸出式。一般機(jī)械式傳動(dòng)輸出的水表準(zhǔn)確度較低，誤差約±2％，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，國內(nèi)已批量生產(chǎn)，并標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化。壓式流量計(jì)(變壓降式流量計(jì))差壓式流量計(jì)由一次裝置和二次裝置組成．一次裝置稱流量測(cè)量元件，它安裝在被測(cè)流體的管道中，產(chǎn)生與流量(流速)成比例的壓力差，供二次裝置進(jìn)行流量顯示。二次裝置稱顯示儀表。它接收測(cè)量元件產(chǎn)生的差壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流量進(jìn)行顯示．差壓流量計(jì)的一次裝置常為節(jié)流裝置或動(dòng)壓測(cè)定裝置(皮托管、均速管等)。二次裝置為各種機(jī)械式、電子式、組合式差壓計(jì)配以流量顯示儀表．差壓計(jì)的差壓敏感元件多為彈性元件。由于差壓和流量呈平方根關(guān)系，故流量顯示儀表都配有開平方裝置，以使流量刻度線性化。多數(shù)儀表還設(shè)有流量積算裝置，以顯示累積流量，以便經(jīng)濟(jì)核算。這種利用差壓測(cè)量流量的方法歷史悠久，比較成熟，世界各國一般都用在比較重要的場(chǎng)合，約占各種流量測(cè)量方式的70％。發(fā)電廠主蒸汽、給水、凝結(jié)水等的流量測(cè)量都采用這種表計(jì)。(4)變面積式流量計(jì)(等壓降式流量計(jì))放在上大下小的錐形流道中的浮子受到自下而上流動(dòng)的流體的作用力而移動(dòng)。當(dāng)此作用力與浮子的“顯示重量”(浮子本身的重量減去它所受流體的浮力)相平衡時(shí)，俘子即靜止。浮子靜止的高度可作為流量大小的量度。由于流量計(jì)的通流截面積隨浮子高度不同而異，而浮子穩(wěn)定不動(dòng)時(shí)上下部分的壓力差相等，因此該型流量計(jì)稱變面積式流量計(jì)或等壓降式流量計(jì)。該式流量計(jì)的典型儀表是轉(zhuǎn)子(浮子)流量計(jì)。(5)動(dòng)量式流量計(jì)(5)動(dòng)量式流量計(jì)利用測(cè)量流體的動(dòng)量來反映流量大小的流量計(jì)稱動(dòng)量式流量計(jì)．由于流動(dòng)流體的動(dòng)量P與流體的密度及流速v的平方成正比，即p

v2，當(dāng)通流截面確定時(shí)，v與容積流量Q成正比，故p

Q2。設(shè)比例系數(shù)為A，則Q＝A因此，測(cè)得P，即可反映流量Q．這種型式的流量計(jì)，大多利用檢測(cè)元件把動(dòng)量轉(zhuǎn)換為壓力、位移或力等，然后測(cè)量流量。這種流量計(jì)的典型儀表是靶式和轉(zhuǎn)動(dòng)翼板式流量計(jì)。利用沖量定理測(cè)量流量的流量計(jì)稱沖量式流量計(jì)，多用于測(cè)量顆粒狀固體介質(zhì)的流量，還用來測(cè)泥漿、結(jié)晶型液體和研磨料等的流量。流量測(cè)量范圍從每小時(shí)幾公斤到近萬噸。典型的儀表是水平分力式?jīng)_量流量計(jì)，其測(cè)量原理是當(dāng)被測(cè)介質(zhì)從一定高度h自由下落到有傾斜角的檢測(cè)板上產(chǎn)生一個(gè)沖力，沖力的水平分力馬質(zhì)量流量成正比，故測(cè)量這個(gè)水平分力即可反映質(zhì)量流量的大小。按信號(hào)(九)的檢測(cè)方式，該型流量計(jì)分位移檢測(cè)型和直接測(cè)力型。(6)沖量式流量計(jì)電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)是應(yīng)用導(dǎo)電體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又和流量大小成正比，通過測(cè)電動(dòng)勢(shì)來反映管道流量的原理而制成的。其測(cè)量精度和靈敏度都較高。工業(yè)上多用以測(cè)量水、礦漿等介質(zhì)的流量。可測(cè)最大管徑達(dá)2m，而且壓損極小。但導(dǎo)電率低的介質(zhì)，如氣體、蒸汽等則不能應(yīng)用。超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)是基于超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的速度等于被測(cè)介質(zhì)的平均流速和聲波本身速度的幾何和的原理而設(shè)計(jì)的。它也是由測(cè)流速來反映流量大小