超聲波流量計(jì)的選型及應(yīng)用

    近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快，基于不同原理，適用于不同場合的各種型式的超聲波流量計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也對廣大用戶提出如何認(rèn)識超聲波流量計(jì)、怎樣選擇合適的類型，使用中應(yīng)注意些什么問題等一系列問題，本文綜合國內(nèi)超聲波流量計(jì)目前的發(fā)展情況及多年應(yīng)用的實(shí)踐，對上述問題進(jìn)行了些探討。

    1 超聲波流量計(jì)的分類
    超聲波流量計(jì)的各類很多，依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計(jì)。
    1.1 多譜勒式超聲波流量計(jì)
    換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；驓馀莺?，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒將就，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。
   設(shè)流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v，即所以流體流速當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。
    1.2時(shí)差式超聲波流量計(jì)
    時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。
    換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號，這是順流方向，其傳播時(shí)間為
    反之，逆流方向的傳播時(shí)間為：
    時(shí)間差為：
    由于c>>v，故
    所以，流體流速
    同樣，c、L、θ均為常數(shù)，測得時(shí)間差△t即可求出流體流速v進(jìn)而求得流體流量。

    2 區(qū)別
    根據(jù)超聲波流量計(jì)使用場合不同，可以分為固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)。
    2.1這兩類超聲波流量計(jì)的主要區(qū)別
    (1)適用的場合不同
    固定式超聲波流量計(jì)用于安裝在某一固定位置，對某一特定管道內(nèi)流體的流量進(jìn)行長期不間斷的計(jì)量；便攜式超聲波流量計(jì)具有很大的機(jī)動(dòng)性，主要用于對不同管道的流體流量作臨時(shí)性測量。
    (2)供電方式不同
    固定式超聲波流量計(jì)要求長期連續(xù)運(yùn)行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計(jì)既可以使用現(xiàn)場的交流電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5～10h［小時(shí)］，大大方便了不同場合臨時(shí)性流量測量的需要。
    (3)部分功能不同
    因定式超聲波流量計(jì)，通常都有4-20mA信號輸出等功能，供遠(yuǎn)傳顯示使用，但其內(nèi)部只能存貯一條管道的參數(shù)；便攜式超聲波流量計(jì)只是為了現(xiàn)場查看當(dāng)時(shí)流量和短時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量，故一般無輸出信號功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時(shí)存貯數(shù)十條不同管道的參數(shù)，供隨時(shí)調(diào)出使用。
    2.2 換能器供電方式不同
    可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計(jì)。
    (1)外貼式
    外貼式超聲波流量計(jì)是生產(chǎn)最早，用戶最熟悉且應(yīng)用最廣泛的超聲波流量計(jì)，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現(xiàn)了超聲波流量計(jì)安裝簡單、使用方便的特點(diǎn)。
    (2)管段式
    某些管道因材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴(yán)重，襯里和管道內(nèi)空間有間隙等原因，導(dǎo)致超聲波信號衰減嚴(yán)重，用外貼式超聲波流量計(jì)無法正常測量，所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計(jì)。
    管段式超聲波流量計(jì)把換能器和測量管組成一體，解決了外貼式流量計(jì)在測量中的一個(gè)難題。而且測量精度也比其它超聲波流量計(jì)要高，但同時(shí)也犧牲了外貼式超聲波流量計(jì)不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn)，要求切開管道安裝換能器。
    (3)插入式
    插入式超聲波流量計(jì) 介于上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號的發(fā)射、接受只經(jīng)過被測介質(zhì)，而不經(jīng)過管壁和襯里，所以其測量不受管質(zhì)和管襯材料限制。

    3 超聲波流量計(jì)的選型
     超聲波流量計(jì)除上述各種類型外，近年來又出現(xiàn)了采用數(shù)字化電路的數(shù)字式超聲波流量計(jì)，把換能器和轉(zhuǎn)換器做在一起的一體式超聲波流量計(jì)，等等。面對眾多類型的超聲波流量計(jì)，用戶要根據(jù)實(shí)際情況和測量需要合理選型。
    3.1多譜勒式超聲波流量計(jì)
    只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆?；驓馀莸牧黧w，如工廠排放液、未處理的污水、雜志含量穩(wěn)定的工廠過程液等。要注意它對被測介質(zhì)要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時(shí)雜技含量要相對穩(wěn)定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對被測廠家的要求也不一樣。選擇此類超聲波流量計(jì)即要對被測介質(zhì)心中有數(shù)，也要對所選用的超聲波流量計(jì)的性能、精度和對被測介質(zhì)的要求有深入的了解。
    3.2便攜式超聲波流量計(jì)
    適用于臨時(shí)性測量，主要用于校對管道上已安裝其它流量儀表的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行一個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體平衡測試 ，檢查管道的當(dāng)時(shí)流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時(shí)，選用便攜式超聲波流量計(jì)既方便又經(jīng)濟(jì)。
    3.3時(shí)差式超聲波流量計(jì)
    目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍最廣泛的是時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它主要用來測量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。此外它也可以測量雜技含量不高(雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm)的均勻流體，如污水等介質(zhì)的流量，而且精度可達(dá)±1.5%。實(shí)際應(yīng)用表明，選用時(shí)差式超聲波流量計(jì)，對相應(yīng)流體的測量都可以達(dá)到滿意的效果。
    3.4管道式超聲波流量計(jì)
    精度最高，可達(dá)到±0.5%，而且不受管道材質(zhì)、襯里的限制，適用于流量測量精度要求高的場合。但隨著管徑的增大，成本也會隨增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計(jì)，較為經(jīng)濟(jì)。
    3.5固定式超聲波流量計(jì)
    如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，徹底消除了管襯、結(jié)垢及管壁對超聲波信號衰減的影響，測量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護(hù)工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應(yīng)用正在不斷推廣。
    有的廠家推出了內(nèi)部為數(shù)字化電路的超聲波流量計(jì)，其特點(diǎn)是采用數(shù)字電路處理信號，糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，取樣及時(shí)，精度提高(模擬電路的精度為±1.5%，數(shù)字電路可以達(dá)到±1.0%)，而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號輸出模式供選擇，在實(shí)際應(yīng)用也取得了很好的效果。用戶在使用中可以和模擬電路的超聲波流量計(jì)進(jìn)行比較。
    超聲波流量計(jì)的功能選擇，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況來確定。如果測量雙向流體，一定要選擇帶有正負(fù)計(jì)量功能的超聲波流量計(jì)；如果用戶需要定期了解流體在一定時(shí)段有流量情況，可以選擇帶打印機(jī)的超聲波流量計(jì)?？傊?，所選擇的超聲波流量計(jì)的功能既要滿足用戶需要，也不必貪多求全，造成許多功能閉置不用，而增加購買成本。

    近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快，基于不同原理，適用于不同場合的各種型式的超聲波流量計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也對廣大用戶提出如何認(rèn)識超聲波流量計(jì)、怎樣選擇合適的類型，使用中應(yīng)注意些什么問題等一系列問題，本文綜合國內(nèi)超聲波流量計(jì)目前的發(fā)展情況及多年應(yīng)用的實(shí)踐，對上述問題進(jìn)行了些探討。

    1 超聲波流量計(jì)的分類
    超聲波流量計(jì)的各類很多，依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計(jì)。
    1.1 多譜勒式超聲波流量計(jì)
    換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒將就，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。
   設(shè)流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v，即所以流體流速當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。
    1.2時(shí)差式超聲波流量計(jì)
    時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。
    換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號，這是順流方向，其傳播時(shí)間為
    反之，逆流方向的傳播時(shí)間為：
    時(shí)間差為：
    由于c>>v，故
    所以，流體流速
    同樣，c、L、θ均為常數(shù)，測得時(shí)間差△t即可求出流體流速v進(jìn)而求得流體流量。

    2 區(qū)別
    根據(jù)超聲波流量計(jì)使用場合不同，可以分為固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)。
    2.1這兩類超聲波流量計(jì)的主要區(qū)別
    (1)適用的場合不同
    固定式超聲波流量計(jì)用于安裝在某一固定位置，對某一特定管道內(nèi)流體的流量進(jìn)行長期不間斷的計(jì)量；便攜式超聲波流量計(jì)具有很大的機(jī)動(dòng)性，主要用于對不同管道的流體流量作臨時(shí)性測量。
    (2)供電方式不同
    固定式超聲波流量計(jì)要求長期連續(xù)運(yùn)行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計(jì)既可以使用現(xiàn)場的交流電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5～10h［小時(shí)］，大大方便了不同場合臨時(shí)性流量測量的需要。
    (3)部分功能不同
    因定式超聲波流量計(jì)，通常都有4-20mA信號輸出等功能，供遠(yuǎn)傳顯示使用，但其內(nèi)部只能存貯一條管道的參數(shù)；便攜式超聲波流量計(jì)只是為了現(xiàn)場查看當(dāng)時(shí)流量和短時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量，故一般無輸出信號功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時(shí)存貯數(shù)十條不同管道的參數(shù)，供隨時(shí)調(diào)出使用。
    2.2 換能器供電方式不同
    可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計(jì)。
    (1)外貼式
    外貼式超聲波流量計(jì)是生產(chǎn)最早，用戶最熟悉且應(yīng)用最廣泛的超聲波流量計(jì)，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現(xiàn)了超聲波流量計(jì)安裝簡單、使用方便的特點(diǎn)。
    (2)管段式
    某些管道因材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴(yán)重，襯里和管道內(nèi)空間有間隙等原因，導(dǎo)致超聲波信號衰減嚴(yán)重，用外貼式超聲波流量計(jì)無法正常測量，所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計(jì)。
    管段式超聲波流量計(jì)把換能器和測量管組成一體，解決了外貼式流量計(jì)在測量中的一個(gè)難題。而且測量精度也比其它超聲波流量計(jì)要高，但同時(shí)也犧牲了外貼式超聲波流量計(jì)不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn)，要求切開管道安裝換能器。
    (3)插入式
    插入式超聲波流量計(jì) 介于上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號的發(fā)射、接受只經(jīng)過被測介質(zhì)，而不經(jīng)過管壁和襯里，所以其測量不受管質(zhì)和管襯材料限制。

    3 超聲波流量計(jì)的選型
     超聲波流量計(jì)除上述各種類型外，近年來又出現(xiàn)了采用數(shù)字化電路的數(shù)字式超聲波流量計(jì)，把換能器和轉(zhuǎn)換器做在一起的一體式超聲波流量計(jì)，等等。面對眾多類型的超聲波流量計(jì)，用戶要根據(jù)實(shí)際情況和測量需要合理選型。
    3.1多譜勒式超聲波流量計(jì)
    只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆?；驓馀莸牧黧w，如工廠排放液、未處理的污水、雜志含量穩(wěn)定的工廠過程液等。要注意它對被測介質(zhì)要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時(shí)雜技含量要相對穩(wěn)定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對被測廠家的要求也不一樣。選擇此類超聲波流量計(jì)即要對被測介質(zhì)心中有數(shù)，也要對所選用的超聲波流量計(jì)的性能、精度和對被測介質(zhì)的要求有深入的了解。
    3.2便攜式超聲波流量計(jì)
    適用于臨時(shí)性測量，主要用于校對管道上已安裝其它流量儀表的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行一個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體平衡測試 ，檢查管道的當(dāng)時(shí)流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時(shí)，選用便攜式超聲波流量計(jì)既方便又經(jīng)濟(jì)。
    3.3時(shí)差式超聲波流量計(jì)
    目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍最廣泛的是時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它主要用來測量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。此外它也可以測量雜技含量不高(雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm)的均勻流體，如污水等介質(zhì)的流量，而且精度可達(dá)±1.5%。實(shí)際應(yīng)用表明，選用時(shí)差式超聲波流量計(jì)，對相應(yīng)流體的測量都可以達(dá)到滿意的效果。
    3.4管道式超聲波流量計(jì)
    精度最高，可達(dá)到±0.5%，而且不受管道材質(zhì)、襯里的限制，適用于流量測量精度要求高的場合。但隨著管徑的增大，成本也會隨增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計(jì)，較為經(jīng)濟(jì)。
    3.5固定式超聲波流量計(jì)
    如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，徹底消除了管襯、結(jié)垢及管壁對超聲波信號衰減的影響，測量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護(hù)工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應(yīng)用正在不斷推廣。
    有的廠家推出了內(nèi)部為數(shù)字化電路的超聲波流量計(jì)，其特點(diǎn)是采用數(shù)字電路處理信號，糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，取樣及時(shí)，精度提高(模擬電路的精度為±1.5%，數(shù)字電路可以達(dá)到±1.0%)，而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號輸出模式供選擇，在實(shí)際應(yīng)用也取得了很好的效果。用戶在使用中可以和模擬電路的超聲波流量計(jì)進(jìn)行比較。
    超聲波流量計(jì)的功能選擇，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況來確定。如果測量雙向流體，一定要選擇帶有正負(fù)計(jì)量功能的超聲波流量計(jì)；如果用戶需要定期了解流體在一定時(shí)段有流量情況，可以選擇帶打印機(jī)的超聲波流量計(jì)?？傊?，所選擇的超聲波流量計(jì)的功能既要滿足用戶需要，也不必貪多求全，造成許多功能閉置不用，而增加購買成本。

   4 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用 
    超聲波流量計(jì)在應(yīng)用中，需要注意以下幾個(gè)方面的問題：
   4.1 正確選擇
   這是超聲波流量計(jì)能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng)，或會造成流量無法測量，或者用戶使用不做便等后果。具體選型原則，前面已做了詳細(xì)的介紹。
   4.2 合理安裝
   換能器安裝不合理是超聲波流量計(jì)不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個(gè)問題。確定位置時(shí)除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調(diào)速囂、電焊機(jī)等污染電源的場合。在安裝方式上，主要有對貼安裝方式和V方式、Z方式三種，如圖3。多譜勒式超聲波流量計(jì)采用對貼式安裝方式，時(shí)差式超聲波流量計(jì)采用V方式和Z方式，通常情況下，管徑小于300mm時(shí)，采用V方式安裝， 管徑大于200mm時(shí)，采用Z方式安裝。對于即可以用V方式安裝又可以方式安裝的換能器，盡量選用Z方式。實(shí)踐表明，Z方式安裝的換能器超聲波信號強(qiáng)度高，測量的穩(wěn)定性也好。
    4.3 及時(shí)核校
    對于現(xiàn)場安裝固定式超聲波流量計(jì)數(shù)量大、范圍廣的用戶，可以配備一臺同類型的便攜式超聲波流量計(jì)，用于核校現(xiàn)場儀表的情況。一是堅(jiān)持一裝一校，即對每一臺新裝超聲波流量計(jì)在安裝調(diào)試時(shí)進(jìn)行核校，確保選位好、安裝好、測量準(zhǔn)；二是對在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)發(fā)生流量突變時(shí)，要利用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行及時(shí)核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實(shí)發(fā)生了變化。
    4.4 定期維護(hù)
    與其他流量儀表相比，超聲波流量計(jì)的維護(hù)量是比較小的。對于外貼換能器超聲波流量計(jì)，安裝以后無水壓損失，無潛在漏水，只需定期檢查換能器是否松動(dòng)，與管道之間的粘合劑是否良好即可；插入式超聲波流量計(jì)，要定期清理探頭上沉積的雜質(zhì)、水垢等有無漏水現(xiàn)象；如果是一體式超聲波流量計(jì)，要檢查流量計(jì)與管道之間的法蘭鏈接是否良好，并考慮現(xiàn)場溫度和濕度對其電子部件的影響，等待。定期維護(hù)可以確保超聲波流量計(jì)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。