探析超声波流量计的工作原理及其应用

摘 要： 笔者主要对超声波流量计的工作原理进行了分析，并结合生产实际情况，提出了超声波流量计的安装、维护方法。

关键词： 超声波流量计 测量原理 流量 优缺点 应用

前言

随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，不同结构，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，因其具有运行稳定、安装简单、维护量小等优点，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的首选工具。

1、超声波流量计的测量原理

超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量； 多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。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。超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。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在不影响生产管线的情况下运行，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。

超声波流量计常用压电换能器。它利用压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后接收换能器接收，经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适角度射入到流体中，需把元件放入声楔中，构成换能器整体（又称探头）。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。

常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。

2、超声波流量计的优缺点

众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不紧这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2 cm到5 m，从几米宽的明渠、暗渠到500 m宽的河流都可适用。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。

另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高叵卤徊饬魈宕声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200 ℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1 500 m/s左右，被测流体流速（ 流量）变化带给声速的变化量最大也是10-3数量级.若要求测量流速的准确度为 1% ，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。

3、超声波流量计的应用

由于超声波流量计安装和维护方便，精度高（分公司超声波流量计精度为0.5级） ，目前，分公司共有超声波流量计12台，主要做为水的一级计量仪表使用，分别用于余热炉、燃煤、电解泵房等水的计量，陆续投运以来运行情况良好。前期通过超声波流量计的成功应用，不但为分公司的流量计量提供了可靠的数据保障，同时也为分公司日后超声波流量计的安装和维护提供了宝贵的经验。

3.1 超声波流量计安装

超声波流量计的合理安装与正确选型都是关系到流量计能否正常运行的重要因素。由于超声波流量计是一种线速度式流量计，液体的液态对流量计正常运行影响较大，因此正确选择流量计换能器的安装位置和上、下游直管段的距离十分重要。换能器的位置要选择在远离管道弯头、变径、阀门、节流装置的直管段，可以选水平管段或垂直管段（ 必须流体向上流动） ，确保流体满管平稳流动，一般要求上游直管段为10D（ D表示管道直径） ，下游5D。另外要注意换能器尽量避开有变频调速器、电焊机等污染电源的场合。超声波流量计换能器的安装方式也要有一定的要求，不能随意选用。多普勒超声波流量计采用对贴式安装方式，一对换能器对贴的最佳位置应该选择管道的水平方向，避免贴在管道的上、下游侧位置。时差式超声波流量计根据管道可径 大小不同，换能器安装方式有V形、Z形、W形三种形式，通常情况下选用V形标准安装方式； 管径大于400 mm时，采用Z； 小管径采用W形安装方式。选用不同安装方式的共同目的是一样的，即为了使换能器超声波信号强度高，测量稳定性好。

3.2 超声波流量计的维护

与其他各类流量计相比，超声波流量计的维护工作量相对较小，主要工作是定期现场维护巡检，重点检查换能器是否松动，与管道之间的粘合是否良好。对于插入式超声波流量计，要定期清理探头上沉积的杂质、水垢，并检查密封口处有无泄漏现象，对于管道式超声波流量计，要检查流量计与管道之间的法兰连接是否良好，并注意现场温度、湿度和腐蚀性气体对电子部件的影响等。日常维护的另一项工作就是要定期对运行的流量计进行核校，公司配置了一台同类便携式超声波流量计，用来比对现场仪表的测量准确度，同时，当流量波动剧烈时，也可以用来判断区分是来自仪表自身还是生产工艺方面的原因，以便及时处理故障。

参考文献：

[1]王敏.超声波流量计在制盐生产中的应用[J].盐业与化工，2012，41（ 6） ： 35-36.