超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及合理選型的分析探討

1、超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及合理選型的分析探討工作條件、測(cè)量參數(shù)，正確選擇超聲波流量計(jì)傳感器的類型，從而確定其安裝位置和安裝方式；并從使用條件、測(cè)量精度、被測(cè)介質(zhì)溫度及壓力、傳感器耐溫等級(jí)等方面,對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行選型。關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)；測(cè)量方法；傳感器；精度;介質(zhì)耐溫等級(jí)用聲學(xué)測(cè)量技術(shù)測(cè)量流體流量已有幾十年的歷史，特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著高速數(shù)字信號(hào)處理技叔口先進(jìn)的壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展，超聲波流量計(jì)在測(cè)量液體、氣體和蒸汽等領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。超聲波流量計(jì)出現(xiàn)的時(shí)間不長(zhǎng)，但卻得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波流量計(jì)可以用許多方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前，最基本、最普遍、最實(shí)用的兩種方法是時(shí)差法和多普勒法。時(shí)差

2、法：當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，順流方向聲波傳播時(shí)間小于逆流方向傳播時(shí)間，其時(shí)間差與流速成正比。這種方法在工業(yè)界應(yīng)用已有30多年的歷史。它具有精度高、可靠性好的特點(diǎn),除了測(cè)量體積流量之外，同時(shí)還能導(dǎo)出超聲波在被測(cè)流體中的傳播速度。多普勒法：以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，發(fā)射器向流體發(fā)射聲波信號(hào)，如果流體中有固體顆?；蚴菤馀荽嬖?，則會(huì)產(chǎn)生散射。當(dāng)管道內(nèi)的流體流動(dòng)時(shí)，散射出來(lái)的聲波信號(hào)頻率和發(fā)射的聲波頻率是不一樣的，其頻率差正比于流體中顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，即流體的速度。這種方法需要流體中含有發(fā)射物資，由于在流體中發(fā)射物資的發(fā)射性能不穩(wěn)定，到目前為止,這種方;去僅能在少數(shù)場(chǎng)合得到應(yīng)用。1超聲波流量計(jì)的特

3、點(diǎn)1.1 優(yōu)勢(shì)超聲波流量計(jì)既可以測(cè)量液體，也可以測(cè)量氣體。還可以測(cè)量異相含量不高的雙相流體，如污水、污液等；測(cè)量管道的直徑可從幾厘米到幾米，理論上講，管徑上限沒(méi)有限制，管道可以是圓形，也可以是方形；無(wú)阻流件，超聲波流量計(jì)在測(cè)量時(shí)，不妨礙管道中流體的流動(dòng)，沒(méi)有壓力損失,運(yùn)行費(fèi)用低;超聲波流量計(jì)可以測(cè)量導(dǎo)電或mF導(dǎo)電介質(zhì)，有毒或有腐蝕性介質(zhì);超聲波流量計(jì)的傳感器可以安裝在管道外部，不與被測(cè)介質(zhì)接觸，因而安裝時(shí)不需要將管道截?cái)?，也不需要開孔，只須將傳感器夾裝在管道表面即可，簡(jiǎn)單易行，操作方便；所測(cè)流量與黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率無(wú)關(guān)；測(cè)量線性度好（時(shí)間差正比于流速）;可測(cè)量正反向流量;能采用被測(cè)介質(zhì)體

4、積量對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定;性能價(jià)格比高（對(duì)于插入式和外貝度流量計(jì)11.2 超聲波流量計(jì)也有其不足之處（1）測(cè)量精度不夠聯(lián)想，一般為流量的±1.0%左右。若是外夾裝式安裝,則由于管道條件的不確定性，誤差可能還要大一些。若是接觸式安裝，誤差可以到±0.5%，但安裝較為麻煩；（2）不耐高溫，被測(cè)介質(zhì)的溫度不能太高，通常至160,最高為200;（3）對(duì)于中小管道而言，超聲波流量計(jì)的價(jià)格較高，其技術(shù)也較為復(fù)雜。2超聲波流毫專感器簡(jiǎn)介超聲波流量傳感器分為濕式加干式（夾裝式）兩種。濕式裝在管道內(nèi)，與液體接觸。干式（夾裝式）夾裝在管段的外壁,不與液體接觸。夾裝式超聲波流量計(jì)雖然精確度不高，但安

5、裝方便,常用于流量監(jiān)控和過(guò)程控制，尤其適用于無(wú)停車機(jī)會(huì)的場(chǎng)合。此外，還可以用來(lái)作為其它流量計(jì)的比對(duì)手段，以檢驗(yàn)在線運(yùn)行的各種流量計(jì)是否準(zhǔn)確。夾裝式傳感器通常還需配有安裝夾辟口耦合劑，應(yīng)用極其方便。3超聲波流量計(jì)的選型超聲波流量計(jì)除了時(shí)差法和多普勒法之外，通常還有測(cè)量液懈口測(cè)量氣體之分?，F(xiàn)在的生產(chǎn)廠家還針對(duì)某種介質(zhì)開發(fā)和制造了專用超聲波流量計(jì)如專門用于測(cè)量天然氣的超聲波流量計(jì)，專門用于測(cè)量火柜氣的超聲波流量計(jì)等，無(wú)疑，這些開發(fā)和制造對(duì)使用者來(lái)說(shuō)是非常有利的。一是提供了選型的便利性，二是由于專門開發(fā)，綜合考慮了介質(zhì)的物理特性，因此，可以有效的提高測(cè)量的精確度。除此之外，選型還要著重考慮以下幾個(gè)因素

6、：3.1 從被測(cè)介質(zhì)和使用要求方面考慮液體介質(zhì)要選擇液體超聲波流量計(jì)，氣體介質(zhì)要選擇氣體超聲波流量計(jì)。如果是長(zhǎng)期在線測(cè)>,應(yīng)首選管段式或插入式超聲波流量計(jì)，如果是短期的或是臨時(shí)性的測(cè)量或檢驗(yàn)，就應(yīng)選擇手持式超聲波流量計(jì)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃來(lái)講，這樣的選擇可增加測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈;舌性。3.2 從測(cè)量精度方面考慮超聲波流量計(jì)的精確度差異很大，在傳播時(shí)間法超聲波流量計(jì)中，大口徑管段式的多聲道流量計(jì)，精確度較高，基本誤差一般為±0.51.0%R,多聲道超聲波流量計(jì)可高達(dá)±0.25%R,夾裝式一般為±1.03.0%R。而多普勒超聲波流量計(jì)，基本誤差一般為±3.0

7、10%FS,但當(dāng)固體顆粒含量不變時(shí)，精確度也可達(dá)±0.53.0%FS。超聲波流量計(jì)還有單聲道和多聲道之分，單聲道超聲波流量計(jì)測(cè)量的是管道橫截面上某一根直徑上的平均速度，是線平均速度，目口整個(gè)面上的平均速度是有區(qū)別的。多聲道超聲波流量計(jì)測(cè)量的是管道橫截面上多根直徑上的平均速度，總的平均速度接近面上的平均速度，所以，多聲道超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度比單聲道的要高。測(cè)量液體流量，精度要求不很高,選單聲道超聲波流量計(jì)就可以了。而測(cè)西體的超聲波流量計(jì)通常是多聲道的，而且不能用外夾裝方式測(cè)量，大多以自帶測(cè)量管段為主。不過(guò)，目前PANAMETRICS公司已打破常規(guī)生產(chǎn)出了夾裝式氣體超聲波流量計(jì)，這種新

8、型的流量計(jì)可以用來(lái)測(cè)量空氣、氧氣和天然氣等氣體，其實(shí)際應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道。氣體超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度不僅與流速有關(guān)，而且與儀表口徑有關(guān)。對(duì)于小口徑儀表，由于聲道長(zhǎng)度較短，在氣體紅測(cè)量聲波傳播時(shí)間比較困難，因此小口徑氣體超聲波流量計(jì)的精確度難以提高。通常氣體超聲波流量計(jì)適用于DNzlOOmm的生產(chǎn)裝置、輸氣管線和配氣系統(tǒng)中的計(jì)量。用來(lái)測(cè)量天然氣的超聲波流量計(jì)一般是自帶測(cè)量管段的。超聲波不能在真空中傳播，超聲波傳播的前提條件是被測(cè)氣體至少應(yīng)具有所規(guī)定的最小密度。比如，測(cè)量天然氣流量是就需要管道壓力之O.3MPa（表壓），使密度增大到標(biāo)準(zhǔn)狀況的3倍以上。3.3 被測(cè)介質(zhì)溫度、壓力的影響超聲波流量計(jì)在測(cè)量時(shí)

9、,聲波從晶片發(fā)出,經(jīng)過(guò)聲楔、管壁，傳到被測(cè)流體。如果被測(cè)流體的溫度、壓力改變，則聲波在上述的分界面上的折射角和傳播時(shí)間也會(huì)發(fā)生改變，從而使超聲波流量計(jì)示值發(fā)生變化。但是。在現(xiàn)有的智能超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和電路內(nèi)，都有實(shí)時(shí)溫度、壓力補(bǔ)償，對(duì)流量計(jì)的指示影響很小，故可忽略不計(jì)。3.4 傳感器的耐溫等級(jí)傳感器的耐溫等級(jí)一般有低、中、高三種，其中高溫傳感器適用的流體溫度可達(dá)200o隨看科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳感器的耐溫還將進(jìn)一步提高。當(dāng)被測(cè)液體為重油、渣油時(shí)，由于流體溫度較高，傳感器連同耦合劑都應(yīng)選高溫型的?，F(xiàn)在的智能超聲波流量計(jì)都采用了最先進(jìn)的數(shù)學(xué)模式作為設(shè)計(jì)思想縈換器采用微處理器和貼片技術(shù)，所有功能和運(yùn)行

10、參數(shù)都可由程序加以設(shè)置所有公式均由微處理器自動(dòng)選擇調(diào)整，充分發(fā)揮了儀表軟件功能，并采用人機(jī)對(duì)話方式，不同管道所需的不同參數(shù)有按鍵輸入，由軟件自動(dòng)調(diào)整具有保證儀表安裝到位的指示裝置，從而保住了儀表能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作。4超聲波流量計(jì)選型優(yōu)化4.1 超聲波流量計(jì)有兩種主要測(cè)量方法，選擇原則為：準(zhǔn)確度要求較高，被測(cè)介質(zhì)較潔凈，應(yīng)選用時(shí)差法；多普勒法適用于含雜質(zhì)的渾濁介質(zhì)（流體中必須要有散射物資），但準(zhǔn)確度較低。上述兩種測(cè)量方法適用的介質(zhì)詳見(jiàn)表lo4.2 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的被測(cè)流體應(yīng)清潔、滿管、單相，所含懸浮顆粒、氣泡不能超過(guò)儀表允許值。而多普勒超聲波流量計(jì)則相反，流體應(yīng)有一定數(shù)量的顆?；驓馀莸碾x散

11、體，否則聲波無(wú)法散射，儀表會(huì)沒(méi)有信號(hào)，但臟污太重，也會(huì)使聲波無(wú)法透過(guò)。4.3 對(duì)于夕陜式安裝的超聲波流量計(jì)，要知道確切的管道外徑、壁厚、材質(zhì)以及襯里等情況,管道內(nèi)壁不應(yīng)銹蝕、結(jié)垢、凸凹不平。管道外表面應(yīng)去保溫層，去漆去繡，涂勻耦合劑，不能有空隙，以免聲波在固、氣界面發(fā)生折射，無(wú)法傳到被測(cè)流體。雖然外夾裝式超聲波流量計(jì)使用方便靈活，然而現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)際測(cè)量精度，常因工作疏忽，傳感器安裝距離及流通面積等測(cè)量的誤差而造成精度下降。當(dāng)然，不正確的安裝甚至?xí)箖x表完全不能工作。4.4 超聲波流量計(jì)的選型是一項(xiàng)匕限復(fù)雜的工作,它涉及傳感器類型、聲道設(shè)置方式、轉(zhuǎn)換器及其附件的選用，現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)計(jì)及配套器材的準(zhǔn)備,最好是設(shè)計(jì)院、用戶和生產(chǎn)廠家三方面技術(shù)人員密切配合，協(xié)商解決?？傊暡髁坑?jì)和電磁流量計(jì)同為非接觸式儀表，測(cè)量管中無(wú)障礙物，壓力損失小。如果說(shuō)在測(cè)量導(dǎo)電性液體方面，電磁流量計(jì)占主導(dǎo)地位，那么在測(cè)量非導(dǎo)電性液體方面，電磁流量計(jì)就無(wú)能為力了，而超聲波流量計(jì)應(yīng)用的領(lǐng)域比電磁流量計(jì)要廣泛的多，它可測(cè)量非導(dǎo)電性流體，如油品、氣體等，因此,超聲波流量計(jì)是一種大有發(fā)展前途的流量測(cè)量?jī)x表。參考文獻(xiàn)曹麗體超聲流量檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究D.清華大學(xué).2高麗虹.超聲波液位計(jì)、