超声波流量计使用的优缺点-星枫仪器

时间：2016-01-03

一、超声波流量计水、气、油各种介质都可以测量，其应用的领域十分广阔。手持式超声波流量计探头直接安装在管道外壁上，不受介质影响，安装简便快速，*切断工艺管道，*工艺停车，并且无压损，非常适合于测量腐蚀性介质和**纯介质其压损也几乎为零，其测流量的方便性与经济性是佳的

二、在具有危险性场合时，应选用防爆超声波流量计

三、气体超声波流量计适合测量气体及高声耗的液体。夹装测量的可行性则取决于声耗水平和气体密度。应用于天然气管线测量

四、管道式超声波流量计应用超声传输时间的方法测量流速，无运动部件。超声波在测量管道内以水流方向传输再被返回，通过测得的两束超声波的时间差计算出流速。此超声波流量计对介质，温度，导电率和污染物不敏感。

节超声波流量计工作原理

封闭管道用USF按测量原理分类有：① 传播时间法；② 多普勒效应法；③ 波束偏移法；④ 相关法；⑤ 噪声法。本文将讨论用得较多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。

1.1 传播时间法

声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，称之传播时间法。按测量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频差法。现以时差法阐明工作原理。

（1）流速方程式

超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快。

（2）流量方程式

传播时间法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速，而计算流量所需是流通横截面的面平均流速，二者的数值是不同的，其差异取决于流速分布状况。因此，必须用一定的方法对流速分布进行补偿。此外，对于夹装式换能器仪表，还必须对折射角受温度变化进行补偿，才能精的测得流量。

1）夹装式换能器仪表声道角的修正夹装式换能器USF除了做流速分布修正外，必要时还要做声道角变化影响的修正。根据斯那尔（Snall）定律式（7）和图2，声道角θ随流体中声速c的变化而变化，而c又是流体温度的函数（以水为例，见图3），因此，必须对θ角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。

θ角不但受流体声速影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。然而因为一般固体材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大的条件下对测量精度的影响可以忽略不计。但是在温度变化范围大的情况下（例如高低温换能器工作温度范围-40-200℃）就必须对声楔和管壁中声速的大幅度变化进行修正。

2）多声道直射式换能器仪表的流量方程式直射式换能器仪表的流量方程没有管壁材料折射温度变化影响。多声道仪表常用高斯积分法或其他积分法计算流量。

2.2 多普勒（效应）法

多普勒（效应）法USF是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。

（1）流速方程式

超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波，其值为

（2）流量方程式

多普勒法USF的流量方程式形式上与式（6）相同，只是所测得的流速是各散射体的速度v（代替式中的Vm），与载体液体管道平均流速数值并不一致；方程式中流速分布修正系数Kd以代替K0，Kd是散射体的“照射域”在管中心附近的系数；其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数。

（3）超声波流量计液体温度影响的修正

式（11）中又流体声速c，而c是温度的函数，液体温度变化会引起测量误差。由于固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级，即在式（11）中的流体声速c用声楔的声速c0取代，以减小用液体声速时的影响。因为从图6可知cosθ=sinφ，再按斯纳尔定律sinφ/c＝sinφ0/c0，式（11）便可得式（12），其中c0/sinφ0可视为常量。

（4）散射体的影响

实际上多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体，而所测得各散射体速度和载体液体平均流速间的关系也有差别。其他参量如散射体粒度大小组合与流动时分布状况，散射体流速非轴向分量，声波被散射体衰减程度等均影响频移信号。

*二节超声波流量计优缺点和局限性

2.1 优点

USF可作非接触测量。夹装式换能器USF可*停流截管安装，只要在既设管道外部安装换能器即可。这是USF在工业用流量仪表中具有的*特优点，因此可作移动性（即非**固定安装）测量，适用于管网流动状况评估测定。USF为无流动阻挠测量，无额外压力损失。

流量计的仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得的，既可采用干法标定，除带测量管段式外一般不需作实流校验。

USF适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关。对于大型管道不仅带来方便，可认为在无法实现实流校验的情况下是**考虑的选择方案。多普勒USF可测量固相含量较多或含有气泡的液体。USF可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。

因易于实行与测试方法（如流速计的速度-面积法，示踪法等）相结合，可解决一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量，非圆截面管道测量等。某些传播时间法USF附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声速以判断所测液体类别。例如，油船泵送油品上岸，可核查所测量的是油品还是仓底水。

2.2 缺点和局限性

传播时间法USF只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡**过某一范围的液体；反之多普勒法USF只能用于测量含有一定异相的液体。

外夹装换能器的USF不能用于衬里或结垢太厚的管道，以及不能用于衬里（或锈层）与内管壁剥离（若夹层夹有气体会严重衰减超声信号）或锈蚀严重（改变超声传播路径）的管道。

多普勒法USF多数情况下测量精度不高。国内生产现有品种不能用于管径小于DN25mm的管道。

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