超声波流量计原理及应用

超声波流量计原理及应用

超声波流量计原理及应用

吐尔逊古丽

（独山子石化公司炼油厂仪表车间新疆独山子833600 ）

摘要：超声波流量计广泛应用于我厂各生产装置，其检测的介质有水、烃类、碱液等。我厂采用的超声波流量计有国产、国外的多种型号和规格。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。文章讨论了利用超声波流量计测量液体流量的有关问题，重点阐明了超声波流量计的测量原理、分类，安装、使用。

一.超声波流量计原理：

超声波流量计广泛应用于我厂各生产装置，其检测的介质有水、烃类、碱液等。我厂采用的超声波流量计有国产、国外的多种型号和规格。

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声

波就可以检

测出流体的流速，从而换算成流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。

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。

另外，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，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。

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。

二、超声波流量计特点：

优点：它是一种非接触式流量测量仪表，可测量液体、气体介质的体积流量，除具有电磁流量计的优点（无压力损失、不干扰流场、能测量强腐蚀性介质、含杂质污物的介质等）夕卜，还可测量非导电介质的流量，而且不受流体压力、温度、粘度、密度的影响；通用性好，同一台表可测不同口径的管道内的介质流量；安装维修方便，不需要切断流体，不影响管道内流体的正常流通。安装时不需要阀门、法兰、旁通管等；特别适用于大口径管道的流量测量，由于没有压力损失，节能效果显著。

缺点：安装时不能离震动原太近，容易影响探头的测量；在测量水的流量时，

由于水常时间在管道中容易产生水垢，对探头信号强度有影响；还不能测量悬浮.

三•超声波的分类

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。超声波流量计的各类很多，依照不同的分类方法，可以分为不同类型的超声波流量计。除了

检测的方式，还有按探头（换能器）安装方式分,

按声道数目，按性能，根据使用场合不同等等。目前通常采用两种类型的超声波流量计，一种为多普勒超声波流量计，另一类为时差式超声波流量计。多普勒型是利用相位差法测量流速，即某一已知频率的声波在流体中运动，由于液体本身有一运动速度，导致超声波在两接收器（或发射器）之间的频率或相位发生相对变化，通过测量这一相对变化就可获得液体速度；时差型是利用时间差法测量流速，即某一速度的声波由于流体流动而使得其在两接收器（或发射器）之间传播时间发生变化，通过测量这一相对变化就可获得流体流速。我厂多为采用的是时差式超声波流量计，下面简单介绍一下这两种类型超声波流量计，具体测量方法。

1.多谱勒式超声波流量计

换能器1发射频率为f l的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f2的频率反射到换能器2,这就是多谱勒将就，f2与f l之差即为多谱勒频差f d。设流体流速为v，超声波声速为c，

多谱勒频移f d正比于流体流速v,即

£

c +v cos B

所以流体流速

当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，c、f i、e即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。

2.2时差法超声波流量计

时差法超声波流量计(Transit Time Ultrasonic Flowmeter )其工作原理如图1所示。他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。

图2中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D,超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu, 逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为B。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：

"c—V cosff

其中：c是超声波在非流动介质中的声速，

V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：

a =站W -¥—T - - ---

_ r ZKcoitf

=以-％S

&

一戸

式中X是两个换能器在管线方向上的间距。

为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：

上式可简化为:

也就是流体的流速为：

2X

由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流

传播的时

间差成正比。流量Q可以表示为:

以上就是用时差法测量流量的基本原理。在实际应用中，根据换能器的安装方法不同，可以分为夹装式（换能器用钢带等固定并用偶合剂胶合在管道外壁上，与流体不接触）和接触式（超声换能器安装在一段测量管（spoon piece ）上, 换能器直接与被测流体接触）两种。

（a）夹装式结（b）在我厂装置中应用的是夹装式结构

三、流量仪表的主要性能技术指标:接触式结构

换能器

1

弓道

换能器2

换熊器1