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。
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
1
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f
2
的频率反射到换能器2，这就是多谱
勒将就，f
2与f
1
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
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
、θ即为常数，流体流速
1
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 时差法超声波流量测量原理示意图
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θ。
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：
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：
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：
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)接触式结构
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：
1、 准确度
2、量程比
3、重复性
4、雷诺数
准确度：是定性概念，在一定测量范围内被测值与真实值的相差程度
量程比：指保证仪表精度范围内，最大测量值与最小测量值的比值。
此值越
大，测量范围越大
重复性：指测量条件完全不变的情况下，对某一点进行重复测量，是仪表本
身性能好坏的标志。
重复性好，仪表性能好，准确度高
雷诺数：是流体在流动过程中，惯性力与粘滞力的比值。
它反映流体在流动
过程中速度分布状态，其值越大，速度分布越平坦
雷诺数v
du Re d 管内径 u 流体平均流速 v 运动粘度
雷诺数与流速、流体粘度及管内径有关.
四、现场安装事项:
（1）、详细了解现场情况超声波流量计在安装之前应了解现场情况：
1． 安装传感器处距主机距离为多少；
2． 管道材质、管壁厚度及管径；
3． 管道年限；
4． 流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管；
5． 流体温度；
6． 安装现场是否有干扰源（如变频、强磁场等）；
7． 主机安放处四季温度；
8． 使用的电源电压是否稳定；
9． 是否需要远传信号及种类；
根据以上提供的现场情况，厂家可针对现场情况进行配置，必要情况下也可特制机型
（2）、超声波探头安装主要有三种方式:
1. 对贴式安装式
2. V 方式
3.Z方式
在我厂的超声波流量计中,多数才用V方式,Z方式的安装方法，管径小于300mm时，采用V方式安装，管径大于300mm时，采用Z方式安装，在现场用Z 方式的安装站多数.这说明了, 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.
在换能器的安装上注意水平直径成45度的范围内，避免在垂直直径位置附近安装。
否则在测量液体时换能器声波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。
（3）、安装连接
六、常见的故障及处理:
在安装设定完后显示测量窗口会出现错误代码：
*R表示系统工作正常
*R系统工作正常系统正常*I表示没有检测到接收信号
*I 没有检测到接收信号*收不到信号
* 探头与管道接触
不紧或耦合剂太少
* 探头安装不合适
* 内壁结垢太甚
* 新换衬里
* 确保探头靠紧管道,
使用充分的耦合剂
* 确保管道表面干净
无锈迹,无油漆，无腐
蚀眼使用铁刷子清理
管道表面
* 检查初始参数是否
设置正确。
* 只能清除结垢或置
换结垢管段，但一般情
况下可换换测试点，可
能另个结垢少的点，机
器可能正常工作。
* 等待衬里固化饱和
以后再测。
*H表示接收信号差
*H 接收信号质量差
* 信号质量太差
* 包括上述所有原因
* 同对应问题解决办法 *K表示管道是空的
*K 管道空,M29菜单设置
管道中没有流体或者
是设置错误如果管道中确实有流体，在M29菜单中输入０值
以上是工作中常见的错误代码
5．结束语：
流量是企业能源消耗的指标，流量仪表得到越来越多的应用，随着科学技术的飞速发展，人们对高精度、高可靠性、高智能化仪表备受欢迎。
随着电子技术的迅速发展、超声波技术的普及以及产品成本的降低和可靠性的提高，我们相信，超声波流量仪表将成为流体计量中最为普遍采用的手段。