超声波流量计的原理及应用

超声波流量计的原理及应用
系统地阐述了超声波流量计的组成、工作原理。

并对超声波流量计使用前和使用中的注意事项进行了详细的描述，并针对使用过程中出现的问题的原因的处理办法做了具体陈述，对当前的超声波流量计的应用具有指导作用。

1 前言
气体超声波流量计是安装在流动气体管道上，通过检测气体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量气体体积流量的仪表。

随着我国长距离大口径输气管道的建设和发展，气体超声波流量计因其计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等优于传统型流量计的特点，逐渐在我国天然气管道计量中逐渐普及起来。

2 气体超声波流量计的组成和基本原理
2.1 气体超声波流量计的组成
超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。

超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。

这样就实现了流量的检测和显示。

超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。

测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。

2.2 超声波流量计的测量原理
2.2.1 超声波信号的产生原理
超声波流量计常用压电换能器。

它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生振动，振动元件在流体中产生声波。

超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。

发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。

2.2.2 信号处理
信号处理方法可划分为两类：一类属于时间范畴的方法；一类属于频率范畴的方法。

采用这两类方法中的哪一种特定方法，取决于传播时间与超声脉冲周期的关系或声道长度与声波波长的关系。

对用于天然气测量的大多数流量计而言，声道长度（CO.1m-1m）比声波波长（通常约3mm）要大得多，因此都采用属于时间范畴的方法。

在属于时间范畴的方法中，采用最广泛的是单脉冲传播时间测量法和相关峰值位移法，第一种方法要求进行两项重要的操作：先检测接收脉冲，再估计其到达时间。

2.2.3 超声波流量计的测量原理
封闭管道用超声波流量计按测量原理分类有：①传播时间法；②多普勒效应法；③波束偏移法；④相关法；⑤噪声法。

本文将讨论用得最多的传播时间法流量计。

时差法超声波流量计，其工作原理如图1所示。

它是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。

利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，称之传播时间法。

图1 传播时间法原理
超声脉冲穿过管道如同渡船渡过河流。

如果气体没有流动，声波将以相同速度向两个方向传播。

当管道中的气体流速不为零时，沿气流方向顺流传播的脉冲将加快速度，而逆流传播的脉冲将减慢。

因此，相对于没有气流的情况，顺流传播的时间t。

将缩短，逆流传播的时间t。

会增长，这两个传播时间都由电子部件进行测量。

根据这两个传播时间，可以计算测得的流速。

（1）流速方程式
如图1所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢，为：
（1）
反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快，为：
（2）
式（1）减式（2），并变换之，得
（3）
式中L——超声波在换能器之间传播路径的长度，m；
X——传播路径的轴向分量，m；
t12、t21——从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间，s；
c——超声波在静止流体中的传播速度，m/s；
Vm——流体通过换能器1、2之间声道上平均流速，m/s。

（2）流量方程式
传播时间法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速，而计算流量所需是流通横截面的面平均流速，二者的数值是不同的，其差异取决于流速分布状况。

因此，必须用一定的方法对流速分布进行补偿。

此外，对于夹装式换能器仪表，还必须对折射角受温度变化进行补偿，才能精确的测得流量。

体积流量qv
（4）
式中K——流速分布修正系数，即声道上线平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比，K=vm/v；DN－管道内径。

K是单声道通过管道中心（即管轴对称流场的最大流速处）的流速（分布）修正系数。

管道雷诺数ReD变化K值将变化，仪表范围度为10时，K值变化约为1％；范围度为100时，K值约变化2％。

流动从层流转变为紊流时，K值要变化约30％。

所以要精确测量时，必须对K值进行动态补偿。

3 超声波流量计的使用
3.1 使用前的出厂测试
3.1.1 强度试验
对流量计表体应进行强度试验，试验介质为水或煤油，试验压力为1.5倍公称压力，并至少保持5min，经检查无泄漏和损坏。

3.1.2 严密性试验
对装有超声换能器和取压隔离阀的流量计应进行严密性试验，试验介质为干空气或氮气，试验压力为1.5倍公称压力，并至少保持5min。

经检查无泄漏。

3.1.3 几何尺寸测量
所有测量的尺寸应修正到温度为20C时的长度。

对修正过的多个测量值取平均数，并修约
到0.01mm。

3.1.3.1 流量计表体的平均内径D
用12个不同方位（大致等角距）的内径测量值，算出流量计表体平均内径D，或由座标测量仪确定其等效值，分别在流量计表体的三个截面上测量内径，三个截面分别位于：
靠近上游的超声换能器组；
靠近下游的超声换能器组；
两组超声换能器的中间处。

3.1.3.2 声道长度的测量
可直接测量。

如果声道长度不能直接测量，可采用直角三角函数法，用可直接测量的距离进行计算。

有时虽然被测量角度不变，但难于得到准确结果，则该测量值不能用计算方法求距离。

3.1.3.3 零流量检验测试
每台流量计应进行零流量检验测试，并遵循以下步骤：在流量计两端联接盲法兰后，用抽吸或置换的方法把流量计内的所有空气排出，压进声速已知的纯气体（或混合气体），在这个测量腔内保持零流量。

从测试开始，气体的压力和温度应保持稳定，对每一声道的声速应至少记录30s。

并安装相应准确度等级的温度和压力测量仪表，然后计算出在零流量时的传播时间。

从理论上讲，在零流量时，信号的顺流传播时间和逆流传播时间是相等的。

但流量计测出的传播时间包括了超声换能器、电子电路和电缆中的延迟时间。

计算出每一声道的气体平均声速和标准偏差，并与理论声速进行比较，对流量计进行必要的调整，使零流量读数达到制造厂的技术要求。

记录流量计所用的全部参数，包括超声换能器和电子电路及电缆的传播时间延迟、递增延迟修正值、声道长度、角度、测量管内径和零流量偏移系数。

3.2 超声波流量计的安装要求
超声波流量计安装位置应至少有15D长度的直管段，并方便于安装后期检查和维护；
流量计必须安装在传感器电缆可达范围内；
管道温度在传感器工作温度限额内；
应远离高压线和噪声源，可能的话应位于噪声源上游；
传感器不能固定在有严重震荡的管子上和接近流体增速器件附近及涡轮流量计的地方；固定传感器的管段必须时时充满流体，推荐采用具有向上流动的垂直管或水平管段，而不要安装在向下流动的垂直管上（也许未充满液体）；如选择水平管段，则将传感器安装在管侧面，而不要安装在管顶和管底部，因其顶部泡沫、底部沉淀都会干扰超声信号。

对于时差式超声波流量计所测管径较大时，应使用Z型方法安装两个传感器测量，小管径用V型方法测量。

传感器安装于管子上之前，先选一个比传感器稍大的地方清洗干净，去除全部油漆、铁锈、氧化层等，直至裸露出金属，将随同仪器一块带来的混合连接剂涂在传感器表面，用提供的不锈钢带将传感器捆在管子上；
传感器必须与管轴方向平行，它的平面部分直接与管子接触。

超声波流量计全部使用微处理器，根据菜单提示，按顺序输入所测管道管径、管材、内衬材料厚度、所测介质，再安装好传感器，流量计会自动处理显示流速、流量；
不要让超声波流量计在多烟尘杂质、湿度较高、太阳光直射的环境下工作；
3.3 仪表面板键盘操作
启动仪表运行前，首先要对参数进行有效设置，例如，使用单位制、安装方式、管道直径、管道壁厚、管道材料、管道粗糙度、流体类型、两探头间距、流速单位、最小速度、最大速度等。

只有所有参数输入正确，仪表方可正确显示实际流量值。

3.4 超声波流量计的定期校准
气体超声波流量计在出厂使用前、修理后和使用达到检定周期时应该进行实流校准。

实流校准用于减少因流量计声道长度、、声道角度、测量管内径和声道位置等的误差造成的气体超声流量计在出厂使用前、修理后和使用达到检定周期时应进行实流校准。

实流校准用于减少因流量计声道长度、声道角度、测量管内径和声道位置等的误差所造成的流量测量误差。

3.5 实际使用中的常见问题和处理
3.5.1 信号没有或信号较差；出现这种情况可能会有以下原因：
拐合荆固化后产生空泡，或探头在安装后由于震动出现位移使之接受不到反射波。

出现这种情况时，应首先检查探头部位的祸合剂固化情况，在长期的使用中，我们发现用于祸合的硅酮密封胶在固化后都有气泡产生，从而影响了声波的传输，所以造成信号差或信号没有，探头工作面与管壁之间应保持有足够的辐合剂，不能有空气和固体颗粒，以保证藕合良好，取得了较好的效果。

管道内部结垢或锈蚀严重，致使声波在传输过程中出现散射现象，或是折射偏差。

这种情况的发现是在排除了探头藕合剂出现气泡这种因素后，考虑到的.对新水管道检查，
发现管道中锈蚀情况比较严重，尤其是使用较久的管道，在循环水管道内部，由于微生物的生长和在换热过程中出现介质内漏的情况，管道内部结垢较严重，结垢厚的地方有20mm 以上，所以测量条件相对较差，测量误差大，因此而影响测t的准确性.处理这种情况，采用了对测量段的管道进行特殊处理，有条件的进行内部防腐处理，喷涂特福龙，或者烤蓝处理，尽t避免管道内部出现锈蚀或结垢情况的产生，从而为侧f创造较好条件。

被测介质的蚀度较高，或者气液两相情况较严重。

致使声波在传输过程中发现散射或折射，进而影响测量。

解决这种影响测量的因素只有重新选择测量地点把探头移到别的地方或者别的管道上。

测量地点的附近有无线电或者工频干扰。

这种情况的解决，通常是采取两种办法：
一是在有条件的地方尽量使检测器和传感器之间的电缆缩短，二是采用双层屏蔽同轴电缆，将管道和转换器同时接地处理。

管道震动较大，影响测量。

、有这种情况出现时，通常是选择在有管道支撑的地方安装探头，这样可以减少震动部分减少测量的噪声干扰。

在水平管道的上部安装探头时，由于有较多的气泡影响或者流体不能充满管道，而影响测量。

3.5.2 实际流量是恒定的，但是测量值不稳定。

所选择的测量部位直管段不够，如果上下游直管段不符合要求，这样使测量误差较大。

将测量点位置重新选择，保证上游直管段至少为lOD下游直管段为5D的地方。

附近有诸如阀或插入式的温度测量装置等的干扰流动的因素存在。

出现这种情况时，选择探头的安装地点至少在30D以上无遗流干扰的地方安装探头。

实际的介质流动有脉动流。

出现这种情况时，通常是通过阻尼设定增加相应时间。

一消除测量值的不稳定。

3.5.3 测量值有错误
造成测量值有错误的因素有：
所输入的管道参数与实际不符，当内径与实际相差1%时，大约可以造成测量值的误差在3%左右。

旧的管壁上有较厚的水垢附着，造成实际的流体截面缩小，这时，我们应该把水垢当作衬里参数输入，以消除结垢流量所造成的影响。

管道内部流体不满管，或者管道底部有泥沙沉淀，造成流体的实际界面减少，这种情况下，我们应该选择管道断面较小，流出多，流体截至充满的地方。

或者安装在垂直管道上。

以消除其影响。

在测量水以外的介质时，由于对声波在介质中的传播速度不祥，而选错声速值，从而造成较大的测量误差，以至没有测量信号。

这是可以查找相关的资料，选择适当温度下的介质声速值，从而达到准确测量的目的。

探头的设定型号与实际使用型号不符，造成测量误差较大，或者是没有测t信号。

以上就是在使用时差式超声波流量计所遇到的问题及其相应的解决方案。

我们也希望能够更好的了解它，应用它，使之更好的服务于生产和计量工作。

4 结论
超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。

超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。

超声波流量计具有上述一些优点，从20世纪90年代开始在天然气工业中得到应用，其优异特性已引起了重视，但它只适用于中大口径，且价格昂贵。

另外，超声波流量计需要定期校验，对于偏远地区的用户安装和运输成为限制超声波流量计使用的原因。

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