超声波流量计工作原理及常见问题概述

超声波流量计工作原理及常见问题概述

一、工作原理

1、概述

超声流量计是一个测量仪表，它利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。在气体的测量现场主要的检测元件包括一对或几对超声传感器。这些传感器都安装在管壁上，每一组传感器的表面都彼此具有规定的几何关系。

由一个传感器发射的超声脉冲由同一组内另一个传感器接收，反过来也如此。Q.Sonic-3 采用了一个单反射声道的方案，在对面的管壁处声脉冲有一次反射。此方案使声道的总长度增加，从而能改善分辨率（灵敏度）并拓宽流量计的范围度，如图2-1所示。

图2-1 信号反射路径

2 、流速的测量

超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时，声脉冲以相同的速度（声速，C）在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V（该流速不等于零），则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样，顺流传输时间tD 会短些，而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言；这样就有：

L

tD = ——————— -------------- (2.1)

C + V • cos

和

L

tU = ——————— -------------- (2.2)

C — V • cos

式中，L代表两个传感器之间声道的直线长度，可按下式确定L：

L D

—— = ———— -------------- (2.3)

2 sin

^

采用电子学手段来测量此传输时间。根据时间倒数的差，可按下式计算流速V

^ L 1 1

V = ————(—————)-------(2.4)

2cos tD tU

一般说来，沿管道横截面的流速并不是一个固定不变的常量。在流过很长圆管的定常无涡流的流体中，流速仅是径向位置的函数。通常称此函数为充分发展的速度分布（剖面），可以用如下的半经验幂律公式来近似它：

1

V(r)=Vmax(1———) n -------------（2.5）

R

式中，r是在半径上的位置，R是管道的半径，n是雷诺数Re和管内壁粗糙度的函数。对于光滑管道，可按下式来计算n：

Re

n=2log10(——)— 0.8 ---------------(2.6)

n

按（3.4）式计算的流速是沿声道的线积分：

1

VL= —— L V(r)dL ----------------------(2.7)

L

换句话说，由仪表所测得的流速是在声道方向上流体速度分量沿声道的平均值。通常用户感兴趣的是流体沿管道横截面S的平均流速Vm：

1

Vm= —— sV(r)ds ------------------(2.8)

S

如果V仅有一个垂直于S的速度分量，那么可根据下式来计算Vm：

Vm=Kc • VL ----------------(2.9a)

式中Kc代表所谓修正因子，它由下式来定义

1

—— V(r)ds

S

Kc = ——————— ------------(2.10)

1

—— V(r)dL

L

一旦V(r)，L和S已知，修正因子就可以被计算出来。由于V(r)是雷诺数Re的函数，因此修正因子也是Re的函数。

Check Sonic “系列II”(Series-II)型流量计以具有一个“调整因子”，fadjust为特色。在进行流量校准（标定）后，可利用它对流量计进行调整，或者是根据一个具有已知或可接受精度的参比量对输出进行调整时，也需利用它。从1998年元月1日后发运的所有流量计都已具备该特点。在计算平均流速Vm时，已同时采用了调整因子：

Vm=fadjust • Kc • VL ---------------(2.9b)

3、体积流量的计算

在管道流动状况下的体积流量QLine按速度分布修正后的气体的平均流速Vm乘以测量管的内横截面的面积A：

D2

QLine = Vm • A = Vm •—— -----------(2.11)

4

在标准状况下的体积流量QBase按下式计算：

Zo P To

QBase = ——•——•——• QLine -------------(2.12)

Z Po T

式中：

Zo,Po,To是在标准（或参比）状况下气体的压缩因子，绝对压力和绝对温度；

Z，P，T是在管道流动（或计量）条件下气体的压缩因子，绝对压力和绝对温度。

4 、超声波流量计的应用

超声波流量计在应用中，需要注意以下几个方面的问题：

4.1 正确选择

这是超声波流量计能够正常工作的基础。如果选型不当，或会造成流量无法测量，或者用户使用不做便等后果。具体选型原则，前面已做了详细的介绍。

4.2 合理安装

换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时除保证足够的上、下游直管段外，尤其要注意换能器尽量避开有变频调速嚣、电焊机等污染电源的场合。在安装方式上，主要有对贴安装方式和V方式、Z方式三种，如图3。多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式，时差式超声波流量计采用V方式和Z方式，通常情况下，管径小于300mm 时，采用V方式安装，管径大于200mm时，采用Z方式安装。对于即可以用V方式安装又可以方式安装的换能器，尽量选用Z方式。实践表明，Z方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好。

4.3 及时核校

对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户，可以配备一台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况。一是坚持一装一校，即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准；二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。

二、超声波流量计使用中常见问题：

1、超声波流量计探头使用一段时间，会出现不定期的报警。尤其是输送介质杂质较多时，这种问题会较

常见。解决办法：定期清理探头(建议一年清理一次)。

2、超声波流量计输送介质含有水等液体杂质时，流量计引压管容易产生积液，气温较低时会出现引压管

冻堵现象，尤其在北方地区冬季较常见。解决办法：对引压管进行吹扫或加电伴热

附各种参数或变量的定义：

A 管道或流量计的横截面积；

C 声速；

D 管道或流量计的内（直）径；

Fadjust 调整系数（通常是根据流量标定结果来确定）；

KC 修正系数（与雷诺数Re 有关）；