超声波流量计原理及实际应用中地常见问题解析汇报(顾林)

编号
超声波流量计原理及实际应用中的常见问
题解析
顾林
仪征化纤股份
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电子：gul.yzhxsinopec.
二○一二年七月
超声波流量计原理及实际应用中的常见问题解析
顾林（仪征化纤股份）
摘要：超声波流量计是利用流体流动对超声波脉冲或者超声波束的信号调制作用，并通过检测信号的变化来获得体积流量的一种计量仪表[1]。

针对目前普通超声波流量计在非满管、介质杂质复杂、特殊工况等情况下无法准确稳定运行这一问题，提出相应的解决方案。

关键字：超声波流量计；超声波液位计；非满管；常见问题；多普勒法；时差法；
1955年美国人利用“声循环法”（sing-around ）原理，研制出MAXSONFLOWMETER 超声波流量计，用来计量航空煤油，使超声波流量计逐步进入实用化。

目前，各种超声波流量计已广泛用于工业生产、商业计量和水利检测等方面。

1、超声波流量计工作原理
超声波技术应用于流量测量主要依据是：当超声波入射到流体后，在流体中传播的超声波就会载有流体流速的信息。

超声波流量计对信号的发生、传播及检测有着各种不同的设置方法，从而构成了不同原理的超声波流量计，其大致可分为传播速度差法（包括：时差法、相位差法、频差法），多普勒法，相关法、波束偏移法等等[2]。

1.1、 时差法
时差法实际上是将超声波传播速度和液体流速进行矢量叠加为基础的。

可简单比喻为在河流上渡船摆渡的过程。

虽然顺流和逆流时渡船自身的速度是一样的，但由于受水流速度的
影响，顺流时渡船到达对岸所需的时间
要比逆流的少(如图1-1)。

流速越大，顺
流的速度越快，而逆流所需的时间越长。

顺流和逆流的时间差与流速成正比。

在静止流体中ν=0，声脉冲传播时
间120L t t t c ===。

在流体流动时，顺流
与逆流的传播时间1t 和
2t 分别为： 图1-1 1cos L
t c νθ=+；式1-1
2cos L t c νθ=-；式1-2
式中 θ——管轴线与声道之间的夹角，即声道角；
c ——声波在静止液体流体中的声速；
cos νθ——流体在声道方向的速度分量；
L ——声程；
ν——流体沿管道轴向的流速。

将上面两式中的c ，用1t 和2t 替换，那么
122cos L t t t νθ∆=
；式1-3 另一种表达方式，当222cos c νθ>>时，则
()2
212cos c t t L νθ=-；式1-4
只需测得1t 和2t ，即可得到声道上各点流速的平均值，即线平均流速ν。

这并不是管道截面上流体的面平均流速（管道轴向平均流速）
ν——。

下面简要介绍几种通过求取面平均流速ν——值，得到体积流量Q 值的计算方法。

比尔盖尔法
认为在流速低的层流围，圆管流速呈抛物线分步，所测流速为真实流速的4/3倍。

紊流
围的流速分布随雷诺数Re 而变（_
Re D νγ=，D 为管径，γ为流体运动黏度），Re 越大，流
体分布越均匀。

比尔盖尔给出了Re 与流速修正系数的关系为
_K=
1 1.1190.11lg Re νν=+=+；式1-5
则流量为 1Q S K ν=
；式1-6
加权积分法 随着多声道测流技术的出现，在测量断面上平行布置多个声道（4、8声道），将各声
道测得的线平均流速i ν乘以相应的加权系数i K 进行加权积分，求得面平均速度ν——。

加权
积分的方法较好地解决了流场分布于平均流速之间的关系（如图1-2）。

_i i K νν=∑ （i=1，2，3……，n ）；式1-7
式中：ν——
——面平均流速；
n ——声道数；
i ν——第i 声道平均流速。

i K ——第i 声道加权系数，这个系数
由流速分确定；
图1-2
由此求的流量：
_Q S ν=；式1-8
但是，加权系数法是建立在对称分布流态基础上的，加权系数只适用于流态充分发展的状态下，不适用于非对称分布流态的流量测量。

1.2、 多普勒法
多普勒超声波流量计的工作原理如图1-3所示。

发射换能器T 发射一定频率的超声波到流动液体的气泡和固体颗粒上产生散射波，散射波被接收换能器R 所接收，其频率变化与粒子（或气泡）的移动速度成正比（由于换能器具有一定的指向性，所以接收的散射信号基本上是从管道中心附近发射来的）。

多普勒频移d f 和流速ν的关系为
2cos t d cf f νθ= ；式1-9 式中t f ——发射频率。

从上式可看出，发射频率高则流速测量的
图1-3 分辨力d f 就高，通常为3MHz 左右。

把换能器T 、
R 分别设置在与液体流动方向垂直的轴上，并且是对称的位置上。

设置换能器T 、R 的指向方向与管道轴线的夹角分别为θ。

那么，接收到的频率r f 为
cos cos r c f c νθ
νθ+=-；式1-10
由于液体的声速为1500m/s 左右，被测流速仅每秒数米，即222cos
c νθ>>，于是上
式为： cos r t c f f c νθ+≈
；式1-11
而多普勒频移： 2cos 2cos d r t t d t f f f f c
c f f νθνθ=-==
；式1-12 即通过测量d f ，就可以测量P 点的速度ν。

设管截面积为S ，管道轴线平均流速为
ν——，则流量q 为 _q S ν=；式1-13
引入流量补偿系数_
K νν=
，则 2cos d t S Sc q f K Kf νθ=
=式1-14
从上式不难看出，
ν直接接受液体声速c 的影响。

下述方法可以消除由于液体温度变化带来的声
速变化影响（如图1-4）。

根据折射定律： 图1-4
1212sin sin sin cos c c c c θ===ΦΦΦ；式1-15
式中
1c ——声楔材料声速；
1Φ——声楔的超声入射角；
2c ——管材的声速；
2
Φ——管材的折射角；
Φ——流体的折射角；
θ——声道角；
由此得下式：
112sin d t c f f ν=Φ；式1-16
这就是说，如果采用声楔材料，将超声波辐射到液体中，可以与声速c 无关地得到ν。

由于超声从声楔的面入射，1Φ是一定得。

1c 是固体的声速，与流体的声速变化相比要小得多，实际应用中可以忽略[3]。

2、超声波流量的安装
传感器安装合不合理直接决定超声波流量计能不能正常工作。

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2-1）。

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Z 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。

插入式传感器是集外夹式传感器与标准管段式传感器二者优点于一身的产品，解决了现场工况差影响超声波信号强度低这一缺点。

图2-1
3、超声波流量计使用中常见问题
3.1、故障现象：瞬时流量波动大。

3.1.1、故障原因：信号强度波动大；被测流体本身波动大。

3.1.2、处理方法：检查传感器安装方式及安装距离，调整传感器安装距离，提高信号强度，保证信号强度稳定；如果流体本身波动大，说明传感器的安装位置不太理想，应重新选择安装点，保证前10D后5D的工况要求。

3.2、故障现象：外夹式超声波流量计信号强度低。

3.2.1、故障原因：管径较大、管道结垢严重和安装方式不对。

3.2.2、处理方法：管径较大或管道结垢严重应该采用插入式传感器；按要求重新选择安装方式。

3.3、故障现象：插入式超声波流量计信号强度低。

3.3.1、故障原因：安装距离与管径是否对应；是否对传感器定期清洗。

3.3.2、处理方法：重新调整传感器位置；定期对传感器清洗。

3.4、故障现象：瞬时流量偏大或者偏小。

3.4.1、故障原因：传感器安装距离与要求距离有偏差；零点没有比对。

3.4.2、处理方法：重新调整传感器位置；关闭阀门，将瞬时量调为零。

3.5、故障现象：开机无显示。

3.5.1、故障原因：电源属性与仪表额定值不对应；保险丝烧断。

3.5.2、处理方法：检查电源属性是否与仪表的额定值相对应；保险丝是否烧断。

3.6、故障现象：开机后仪表仅有背光而无任何字符显示。

3.6.1、故障原因：一般为程序丢失。

3.6.2、处理方法：联系厂方专业人员处理。

3.7、故障现象：仪表在现场强干扰下无法使用。

3.7.1、故障原因：供电电源波动围较大或周围有变频器或强磁场干扰或接地线不正确。

3.7.2、处理方法：给仪表提供稳定的供电电源；或将仪表安装远离变频器和强磁场干扰；或规设置接地线。

3.8、问题：现场存在不满管情况。

3.8.1、解决方法：可以在管道顶部或者底部安装一超声波液位计探头（如下图3-1），用来检测管道液位，从而得出流体的实际截面积，计算出管道流体的实际流量；选择凹形管段安装传感器（如图3-2）。

图3-1 图3-2
3.9、问题：管径较大的地下管线无足够的安装距离（比如管
径15000mm，插入式传感器的安装距离需要1.5m左右，普通仪表
井也就2m的空间，这样的话留给施工人员的操作空间非常有限）。

3.9.1、解决方法：使用单边双插式传感器（如图3-3），取管
径的一部分流体来测量流体的流速，从而得出流量。

此种方法的测
量误差比较大。

图3-3
4、结束语
超声波流量计能测量任何可以传播超声波的流体介质，在不妨碍流体运动的情况下测量流体的流量，无需对管道改造，测量准确度高，所测流量与流体的黏度、温度、压力和导电率等因素无关，可实现在线带压不断流安装和更换、维护传感器。

本文介绍了超声波流量计的测量原理及实际使用中经常遇到的问题，对实际应用遇到的非满管和有限安装空间给出解决方案。

参考文献：
[1]、肖海. 基于FPGA的时差法超声波气体流量计的研究与实验验证[D]. 电子科技大学硕士学位论文，2009年6月.
[2]、梁国伟等，流量测量技术及仪表，机械工业，2002.6
杜海明. 伪码相关时差法超声波气体流量计的研究[D]. 大学硕士学位论文，2007年6月. [3]、徐英华、有涛，流量及分析仪表，中国计量，2008.5.
作者简介：顾林（1985年2月），男，仪表专业助理工程师，石油大学，现在仪征化纤股份水务中心从事仪表专业管理工作。