1 概述

 

    超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成，是一種利用超聲波脈沖來(lái)測(cè)量流體流量的速度式流量?jī)x表。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算，這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。

 

    2 分類(lèi)

 

    2.1 按照測(cè)量原理不同分類(lèi)

 

    目前常采用兩種類(lèi)型的超聲波流量計(jì)，一種為多普勒超聲波流量計(jì)，另一種為時(shí)差式超聲波流量計(jì)。多普勒型是利用相位差法測(cè)量流速，即某一已知頻率的聲波在流體中運(yùn)動(dòng)，由于液體本身有一運(yùn)動(dòng)速度，導(dǎo)致超聲波在接收器與發(fā)射器之間的頻率或相位發(fā)生相對(duì)變化，通過(guò)測(cè)量這一相對(duì)變化就可獲得液體速度；時(shí)差型是利用時(shí)間差法測(cè)量流速，即某一速度的聲波由于流體流動(dòng)而使得其在接收器與發(fā)射器之間傳播時(shí)間發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量此時(shí)間變化就可獲得流體流速。

 

    2.1.1 多譜勒式超聲波流量計(jì)

 

    多普勒式超聲波流量計(jì)測(cè)量原理圖如圖1所示。如圖1，換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)管道內(nèi)液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。設(shè)流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v，則

 

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    當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過(guò)測(cè)量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。

 

    2.1.2 時(shí)差式超聲波流量計(jì)

 

    時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來(lái)測(cè)量流體流量的。如圖2，換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號(hào)，這是順流方向，其傳播時(shí)間為：

 

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    反之，逆流方向的傳播時(shí)間為：

 

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    時(shí)間差為：

 

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    由于c>>v，故

 

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    所以，流體流速

 

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    其中c、L、θ均為常數(shù)，測(cè)得時(shí)間差△t即可求出流體流速v進(jìn)而求得流體流量。

 

    2.2 按照使用方式不同分類(lèi)

 

    根據(jù)超聲波流量計(jì)使用方式、使用場(chǎng)合的不同，可分為固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)。它們的主要區(qū)別如下：

 

    2.2.1 適用場(chǎng)合不同

 

    固定式超聲波流量計(jì)用于安裝在某一固定位置，對(duì)某一特定管道內(nèi)流體的流量進(jìn)行長(zhǎng)期不間斷的計(jì)量；便攜式超聲波流量計(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)測(cè)量。

 

    2.2.2 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交流電源，便攜式超聲波流量計(jì)既可以使用現(xiàn)場(chǎng)的交流電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5～10小時(shí)，方便了不同場(chǎng)合臨時(shí)流量測(cè)量的需要。

 

    2.2.3 部分功能不同

 

    固定式超聲波流量計(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參數(shù)；便攜式超聲波流量計(jì)只是為了現(xiàn)場(chǎng)查看當(dāng)時(shí)流量和短時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量，故一般無(wú)輸出信號(hào)功能，但為了方便測(cè)量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時(shí)存貯數(shù)十條不同管道的參數(shù)，供隨時(shí)調(diào)出使用。

 

    2.2.4 換能器供電方式不同

 

    可分為外貼式、插入式、管段式三種。a.外貼式：是生產(chǎn)最早，大家最熟悉、應(yīng)用最廣泛的超聲波流量計(jì)，安裝換能器無(wú)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)。b.管段式：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，用外貼式無(wú)法正常測(cè)量，便產(chǎn)生了管段式超聲波流量計(jì)。它把換能器和測(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)量精度也更高，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(kāi)管道安裝換能器。c.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(zhuān)門(mén)工具在管道上打孔，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、接收只經(jīng)過(guò)被測(cè)介質(zhì)，而不經(jīng)過(guò)管壁和襯里，所以其測(cè)量不受管質(zhì)和管襯材料限制。

 

    3 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)

 

    眾所周知，目前的工業(yè)流量測(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量困難的問(wèn)題，這是因?yàn)橐话懔髁坑?jì)隨著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來(lái)制造和運(yùn)輸上的困難，如造價(jià)提高、能損加大、安裝不便等，而超聲波流量計(jì)均可避免。因?yàn)槌暡髁坑?jì)是管外安裝、非接觸測(cè)量，儀表造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無(wú)關(guān)，所以被認(rèn)為是較好的大管徑流量測(cè)量?jī)x表。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流。

 

    另外，流量測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，故可解決其它類(lèi)型儀表所難以測(cè)量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問(wèn)題。此外，鑒于非接觸測(cè)量特點(diǎn)，再配以合理的電子線路，一臺(tái)儀表可適應(yīng)多種管徑測(cè)量和多種流量范圍測(cè)量。超聲波流量計(jì)的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的，不同聲道的標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防爆型、濕式型等流量計(jì)可以適應(yīng)不同介質(zhì)、不同場(chǎng)合和不同管道條件的流量測(cè)量。超聲波流量計(jì)目前所存在的缺點(diǎn)主要是可測(cè)流體的溫度范圍受超聲波換能器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(cè)流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國(guó)只能測(cè)量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計(jì)的測(cè)量線路比一般流量計(jì)復(fù)雜。這是因?yàn)椋话愎I(yè)計(jì)量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m/s，被測(cè)流體流速（流量）變化帶給聲速的變化量最大也是10-3數(shù)量級(jí)。若要求測(cè)量流速的準(zhǔn)確度為1％，則對(duì)聲速的測(cè)量準(zhǔn)確度需為10-5～10-6數(shù)量級(jí)，因此必須有完善的測(cè)量線路才能實(shí)現(xiàn)，這也正是超聲波流量計(jì)只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實(shí)際應(yīng)用的原因。

 

    4 常見(jiàn)各類(lèi)超聲波流量計(jì)的應(yīng)用特征

 

    4.1 多譜勒式超聲波流量計(jì)

 

    只能用于測(cè)量含有適量能反射超聲波信號(hào)的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水、雜質(zhì)含量穩(wěn)定的工廠過(guò)程液等。要注意它對(duì)被測(cè)介質(zhì)要求比較苛刻，不能是潔凈水，雜質(zhì)含量要相對(duì)穩(wěn)定，才可以正常測(cè)量。選擇此類(lèi)超聲波流量計(jì)即要對(duì)被測(cè)介質(zhì)心中有數(shù)，也要對(duì)所選用的超聲波流量計(jì)的性能、精度和對(duì)被測(cè)介質(zhì)的要求有深入的了解。

 

    4.2 便攜式超聲波流量計(jì)

 

    用于臨時(shí)性測(cè)量，主要用于校對(duì)管道上已安裝的其它流量?jī)x表，進(jìn)行一個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體平衡測(cè)試，檢查管道的當(dāng)時(shí)流量情況等。其優(yōu)點(diǎn)是方便、經(jīng)濟(jì)。

 

    4.3 時(shí)差式超聲波流量計(jì)

 

    目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍最廣泛的超聲波流量計(jì)。它主要用來(lái)測(cè)量潔凈的流體流量，在自來(lái)水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。此外它也可以測(cè)量雜質(zhì)含量不高（含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均勻流體，如污水的測(cè)量，而且精度可達(dá)±1.5%。實(shí)際應(yīng)用表明，選用時(shí)差式超聲波流量計(jì)，對(duì)流體的測(cè)量都能達(dá)到滿意的效果。

 

    4.4 管段式超聲波流量計(jì)

 

    精度最高，可達(dá)到±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，成本也會(huì)增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計(jì)較為經(jīng)濟(jì)。

 

    4.5 固定式超聲波流量計(jì)

 

    如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，徹底消除了管襯、結(jié)垢及管壁對(duì)超聲波信號(hào)衰減的影響，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。

 

    結(jié)束語(yǔ)

 

    超聲波流量計(jì)種類(lèi)多、應(yīng)用廣，在流量測(cè)量方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，而且其技術(shù)更新很快，不斷有新型的超聲波流量計(jì)推出。正確的選型是超聲波流量計(jì)能夠正常工作的基礎(chǔ)。所以把握好超聲波流量計(jì)的種類(lèi)、性能，更好的了解它，就能更好的選擇它、應(yīng)用它。