外夾式超聲波流量計測量原理(lǐ)與發展現狀

0 引言

    超聲波流量計具有非接觸式測量、低壓損、測量範圍寬等優點，已經被廣泛用(yòng)于石油化(huà)工等行業的(de)流量計量，特别适用(yòng)于大(dà)口徑管道、非導電性流量測量。

    1 超聲波流量計的(de)基本測量原理(lǐ)

    超聲波流量計利用(yòng)超聲波在流體的(de)順流和(hé)逆流中不同的(de)傳播速度來(lái)測量，測量原理(lǐ)圖見圖1。最常見的(de)有時(shí)差法、速差法和(hé)頻(pín)差法。

圖1 超聲流量計測量原理(lǐ)示意圖

    時(shí)差法：

    速差法：

    頻(pín)差法：

    式中，L是A、B換能器的(de)直線距離，θ是流體流向與超聲波路徑的(de)夾角。

    因爲聲速c受溫度的(de)影(yǐng)響不容易忽略，而式（5）中頻(pín)差與流速v成正比，且不含聲速c，測量結果不受溫度影(yǐng)響，所以頻(pín)差法更爲簡單實用(yòng)。也(yě)有專門利用(yòng)管段内流體的(de)溫度分(fēn)布随流體流動而改變，溫度分(fēn)布又引起聲速變化(huà)這(zhè)一特點研發的(de)超聲波流量計。

    因爲一般流速下(xià)，順流和(hé)逆流的(de)時(shí)間差取決于管徑的(de)大(dà)小，隻有幾百納秒到幾微秒，所以高(gāo)精度的(de)時(shí)差、頻(pín)差的(de)測量方法與超聲波流量計測量精度關系緊密，例如荷蘭Instroment公司采用(yòng)了(le)高(gāo)速數字處理(lǐ)電路技術，能檢測出微秒級的(de)微小時(shí)間差，計時(shí)精度達到納秒級。

    2 外夾式超聲波流量計的(de)選型和(hé)安裝

    根據換能器的(de)安裝方式不同，超聲波流量計可(kě)以分(fēn)爲：外夾式、管段式和(hé)插入式。外夾式超聲波流量計，是指将換能器貼在管道外側的(de)超聲波流量計。這(zhè)種安裝方式是超聲波流量計的(de)三種換能器安裝方式中，安裝和(hé)維護最爲方便的(de)一種，但是換能器信号的(de)發射和(hé)接收信号通(tōng)道最複雜(zá)，必須通(tōng)過管道、（襯裏）和(hé)流體介質，測量精度也(yě)相對(duì)較低。

    2.1 選型注意事項

    儀表的(de)選型是儀表應用(yòng)中非常重要的(de)工作，超聲波流量計選型要特别注意收集以下(xià)方面的(de)信息：

    2.1.1　基本信息

    被測流體名稱；最大(dà)流量、最小流量；最高(gāo)溫度、最低溫度；管道材料；管道内襯材料；管外徑D（或管壁厚度），管内徑。

    2.1.2 防護等級選擇

    一般有IP65和(hé)IP68兩種。IP65是防噴水(shuǐ)型，在使用(yòng)中能承受一定壓力和(hé)出水(shuǐ)量的(de)水(shuǐ)柱噴射。IP68是潛水(shuǐ)型，可(kě)以長(cháng)期工作在水(shuǐ)中。

    2.1.3 測量點的(de)選擇

    1）測量位置應選在探頭上遊大(dà)于10D和(hé)下(xià)遊大(dà)于5D，充滿液體的(de)直管段處；

    2）測量點選擇應盡可(kě)能遠(yuǎn)離泵、閥門等設備，避免幹擾。原因同上，因要盡可(kě)能測量平直流體，避免紊流帶來(lái)的(de)測量誤差；

    3）測量點選擇應盡可(kě)能遠(yuǎn)離大(dà)功率電台，強磁場(chǎng)幹擾源等；

    4）管路管材應均勻密實，易于超聲波傳播；

    5）充分(fēn)考慮管内結垢狀況，盡可(kě)能選擇無結垢的(de)管段進行測量。

    2.2 安裝注意事項

    1）必須把待安裝換能器的(de)金屬管道表面打磨3倍探頭面積，去掉鏽迹油漆，使管壁表面光(guāng)滑平整，露出管道金屬的(de)原有表面并保持原有弧度；

    2）換能器的(de)信号屏蔽線可(kě)懸空，但不能與正、負端短路；

    3）換能器與管道接觸部分(fēn)要用(yòng)耦合劑密封，防止空氣、沙塵和(hé)鏽迹進入；

    4）夾具應固定在換能器的(de)中心部分(fēn)，使之不易滑動。

    3 外夾式超聲波流量計的(de)發展現狀

    超聲波的(de)特點之一是傳播衰減大(dà)，氣體吸收超聲波能量的(de)能力最強，其次是液體和(hé)固體。故單一流體的(de)超聲波流量計中，外夾式氣體超聲波流量計在實際應用(yòng)中測量精度一般都不高(gāo)。爲了(le)提高(gāo)測量的(de)精度和(hé)信号強度，有些超聲波流量計采取了(le)多(duō)通(tōng)道測量方法，利用(yòng)多(duō)通(tōng)道的(de)測量數據根據權值計算(suàn)平均流速。還(hái)有些超聲波流量計采用(yòng)了(le)寬束技術。該技術是由換能器發出較寬頻(pín)率範圍的(de)聲束對(duì)管道壁進行掃描和(hé)搜索，使管道變成了(le)換能器的(de)一部分(fēn)，使聲束能更大(dà)面積地覆蓋被測介質的(de)橫截面。有資料顯示寬束技術可(kě)以用(yòng)較少的(de)聲道便可(kě)得(de)到很高(gāo)的(de)穩定性和(hé)重複性，可(kě)測最小管徑能達到6.35mm。

    德國E+H、美(měi)國康樂(yuè)創等公司，在超聲波流量測量技術的(de)發展處于領先水(shuǐ)平。在MICONEX2004上，康樂(yuè)創展出的(de)1010GC外夾式超聲流量計就可(kě)用(yòng)于氣體流量測量，其精确度優于±0.5%。目前國内外夾式超聲波流量計雖然在液體流量測量上取得(de)了(le)長(cháng)足的(de)進步，一般測量精度能優于±1.0%。但是我國在氣體超聲波流量測量和(hé)測量精度方面差距尚大(dà)。

    4 結束語

    外夾式超聲波流量計是超聲波流量計使用(yòng)優點的(de)最突出代表，随著(zhe)技術的(de)不斷發展，測量精度的(de)不斷提高(gāo)，外夾式超聲波流量計必将會被越來(lái)越廣泛應用(yòng)。因此了(le)解并把握外夾式超聲波流量計性能特點，有利于更好地應用(yòng)它爲工業生産和(hé)計量服務。