超声波流量计双向流计量研究

摘 要：超声波流量计原则上可以用来双向流计量，但实际应用时必须注意不同表型其反向计量精度不同这一特点，选择合适表型。本文分析了超声流量计的原理、分类及选择和应用的方法。

关键词：超声波流量计 流量测定

流量测量是研究物质量变的科学，质和量的互变规律是事物联系与发展的基本规律，凡是需要掌握流体流动的地方都有流量测量的问题。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。超声波流量计就是其中的一种，本文拟对超声波流量计双向流计量进行简略的研究。

1. 超声流量计的原理。

超声流量计的原理是利用声速差计算流体速度，并以流体度乘以面积计算体积流量。通常超声流量计的探头，即换能器与表体之间有一个入射角，从60度到45度。超声波在一对探头之间传播，如果没有流体，也就是0流量的情况下，来回的传播时间是一样的，那么相当于流速为零。一旦有流体，则超声在一对探头之间来回的速度是不一样的。不管流体流向，都会产生声速差，如果设定一个方向为正常流向，那么正常声速应该是正数，如果声速差为负，则说明流向相反，也就是可以反向计量，两个方向的计量精度是一样的。

2．超声波流量计的分类。

（1）根据超声波声道结构类型划分。

根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计。单声道超声波流量计是在被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道，应用比较多的换能器是外夹式和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。多声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠。

（2）根据超声波流量计适用的流道来划分。

根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计。管道流量计一般是指用于有压管道的流量计，其中也包括有压的各种形状断面的涵洞，这种流量计一般是通过一个或多个声道测量流体中的流速，然后求得流量。用于管渠的超声波流量计除了要具有测流速的换能器以外，还需要有测水位的换能器，根据测得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量计一般含有多个测速换能器(由声道数决定)和一个测水位换能器。多数河流超声波流量计仅测流速和水位，而河流的过水流量由用户根据河床断面进行计算。

3．选择和应用超声波流量计的方法。

目前我国的超声波流量计只能用于测量200℃以下的流体。超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂，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。超声波流量计的原理一般用户只需大致了解即可，用户最注重仪表性能和实用。

（1）便携式流量计。

便携式流量计主要用于临时的对比测量，机动性很大，价格较固定式贵一些。在使用中由于是临时测量，管径、管材也不固定。除正确输入各种数据外，要保证上、下游直管段。探头安装也很重要，从实际经验看，300mm以上管道用“V”法很难找到信号，当然如果能找到信号且信号强又稳定用“V”法更好。“V”法安装较之“Z”法安装对直管段的要求要短得多。

（2）固定式超声波流量计。

固定式又分为外夹式、插入式、管段式三种。①外夹式超声流量计。早期的流量计都为外夹式，大家较熟悉，也是应用最广泛的超声波流量计。但此种流量计最大的缺点是：不能用在水泥管上。②插入式超声流量计。此种流量计是利用专用管道开孔工具在管壁上开一小孔，利用管箍（或夹板）把换能器插入管道内，直接与水接触，其安装测量不受限制，其信号的发射，接收只经过水介质，信号强且稳定。缺点：大管道探头安装（特别是外壁粗糙的管道）不易精确定位，埋在地下多年的老管道（因生产工艺、厂家等诸多因素）管壁厚度、内径不能准确确定，是影响测量精度的主要原因之一。③管段式超声波流量计。某些管道因材质疏、导声不良或锈蚀严重，衬里和管壁有间隙等原因、造成超声波信号衰减严重，用外夹式超声流量计无法正常测量时，可用管段式（又称满管式）超声流量计。它是把换能器与一段标准的短管制成一体，出厂时经过逐台标定的流量计，精度可以达到0.5级，主要用于计量数据较高的地方。注意：一定要在保证上、下游直管段的情况下才能确保其精度。缺点：一次性投入较大，且必须断流安装。

4．多声道流量计注意事项。

以上介绍了几种常用单声道流量计多属于国产类型。近几年又出现了双声道、四声道等多声道超声波流量计，多声道流量计对提高测量精度有很大作用，此类多属进口流量计（国内个别厂家也生产），但价格很高，如果资金充足，计量精度要求高可选此类超声流量计。购买后，要注意以下几点：

（1）主机与换能器之间连接电缆（大部分厂家规定在300M以内）要尽量短，且要避免与动力电缆近距并行埋设，或缩短信号电缆后加远传显示装置。

（2）校零点。调零的目的就是消除安装零点，确保测量精度。尽可能停水校零点，若确实不能停水校零可采取其它办法。

（3）逐台校对。

（4）安装时保证上、下游的直管段。为了保证计量的准确，各厂家都规定上游要保证不小于10D，下游不小于5D的直管段。

目前广泛使用的国产单声道超声流量标称精度为1%，但在实际应用中，由于现场管道的内径、壁厚、圆度都无法精确测量等诸多因素会使测量精度超出标称精度许多，对不同行业的计量来说，超声波流量计的实际测量误差的控制也是不同的。

参考文献：

[1]袁希光．传感器技术手册[M]．北京：国防工业出版社．2006:282．

[2]金鸿章．船舶控制和特种装置控制系统．哈尔滨船舶工程学院教材．2003：75.