超聲波流量計的選型及應用

來源：江蘇金華儀表線纜有限公司 2009年12月07日 11:11

摘要超聲波流量計是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表，它從80年代開始進入我國工業生產和計量領域，并在90年代得到迅速發展。文章對我佃國內市場上出現了各類超聲波流量進行了深入研究分析，結合多年的實際應用經驗，系統闡述了超聲波流量計的分類方法；從儀表性能、被測介質經濟性，實用性等方面總結了選用超聲波流量的原則，并對應用中如何選位、安裝、維護提出具體建議，為用戶合理選擇和應用超聲波流量計提供了一些可以借鑒的經驗和方法。
關鍵詞超聲流量計；換能器；時差式；安裝方式
近幾年來，隨著電子技術、數字技術的發展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術發展很快，基于不同原理，適用于不同場合的各種型式的超聲波流量計得到了廣泛應用，同時也對廣大用戶提出如何認識超聲波流量計、怎樣選擇合適的類型，使用中應注意些什么問題等一系列問題，本文綜合國內超聲波流量計目前的發展情況及多年應用的實踐，對上述問題進行了些探討。
1 超聲波流量計的分類
超聲波流量計的各類很多，依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計。
1.1 多譜勒式超聲波流量計
如圖1，換能器1發射頻率為f1的超聲波信號，經過管道內液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒將就，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。
設流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v，即
所以流體流速
當管道條件、換能器安裝位置、發射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進而求得流體流量。
1.2時差式超聲波流量計
時差式超聲波流量計是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。
如圖2，換能器1向換能器2發射超聲波信號，這是順流方向，其傳播時間為
反之，逆流方向的傳播時間為：
時間差為：
由于c>>v，故
所以，流體流速
同樣，c、L、θ均為常數，測得時間差△t即可求出流體流速v進而求得流體流量。
2 區別
根據超聲波流量計使用場合不同，可以分為固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計。
2.1這兩類超聲波流量計的主要區別
（1）適用的場合不同
固定式超聲波流量計用于安裝在某一固定位置，對某一特定管道內流體的流量進行長期不間斷的計量；便攜式超聲波流量計具有很大的機動性，主要用于對不同管道的流體流量作臨時性測量。
（2）供電方式不同
固定式超聲波流量計要求長期連續運行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計既可以使用現場的交流電源，也備有內置充電電池，可以連續工作5～10h［小時］，大大方便了不同場合臨時性流量測量的需要。
（3）部分功能不同
因定式超聲波流量計，通常都有4-20mA信號輸出等功能，供遠傳顯示使用，但其內部只能存貯一條管道的參數；便攜式超聲波流量計只是為了現場查看當時流量和短時間內的累計流量，故一般無輸出信號功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時存貯數十條不同管道的參數，供隨時調出使用。
2.2 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。
（1）外貼式
外貼式超聲波流量計是生產zui早，用戶zui熟悉且應用zui廣泛的超聲波流量計，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現了超聲波流量計安裝簡單、使用方便的特點。
（2）管段式
某些管道因材質疏、導聲不良，或者銹蝕嚴重，襯里和管道內空間有間隙等原因，導致超聲波信號衰減嚴重，用外貼式超聲波流量計無法正常測量，所以產生了管段式超聲波流量計。
管段式超聲波流量計把換能器和測量管組成一體，解決了外貼式流量計在測量中的一個難題。而且測量精度也比其它超聲波流量計要高，但同時也犧牲了外貼式超聲波流量計不斷流安裝這一優點，要求切開管道安裝換能器。
（3）插入式
插入式超聲波流量計介于上述二者中間。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，完成安裝。由于換能器在管道內，其信號的發射、接受只經過被測介質，而不經過管壁和襯里，所以其測量不受管質和管襯材料限制。

超聲波流量計的選型
超聲波流量計除上述各種類型外，近年來又出現了采用數字化電路的數字式超聲波流量計，把換能器和轉換器做在一起的一體式超聲波流量計，等等。面對眾多類型的超聲波流量計，用戶要根據實際情況和測量需要合理選型。
3.1多譜勒式超聲波流量計
只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水、雜志含量穩定的工廠過程液等。要注意它對被測介質要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時雜技含量要相對穩定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對被測廠家的要求也不一樣。

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