超声波流量计

摘要：超声流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的原理开发的流量计，主要由换能器和转换器组成，有多普勒法、速度差法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型。超声波流量计具有非接触式测量、高精度和稳定性好等优点，适用于各种流体流量的测量。

关键词：超声波 流量计 非接触式测量

一 超声波流量计简介

超声流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的原理开发的流量计，主要由换能器和转换器组成，有多普勒法、速度差法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型。超声波流量计具有非接触式测量、高精度和稳定性好等优点，适用于各种流体流量的测量。但也有对流场分布敏感、安装和维护较复杂、价格较高等缺点。适用于石油化工、水利工程、能源管理等需要高精度流量测量的领域。

1工作原理

根据对信号检测的原理，超声流量计可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

1.1时差法：测量顺逆传播时传播速度不同引起的时差计算被测流体速度。它采用两个声波发送器（SA和SB）和两个声波接收器（RA和RB）。同一声源的两组声波在SA与RA之间和SB与RB之间分别传送。

1.2相位差法：测量顺逆传播时传播时由于时差引起的相位差计算速度。

它的发送器沿垂直于管道的轴线发送一束声波，由于流体流动的作用，声波束向下游偏移一段距离。偏移距离与流速成正比。

1.3频差法：测量顺逆传播时传播时的声环频率差。

当超声波在不均匀流体中传送时，声波会产生散射。流体与发送器间有相对运动时，发送的声波信号和被流体散射后接收到的信号之间会产生多普勒频移。多普勒频移与流体流速成正比。

2特点

2.1超声流量计可作非接触测量。

夹装式换能器超声流量计可无须停流截管安装，只要在既设管道外部安装换能器即可。这是超声流量计在工业用流量仪表中具有的独特优点，因此可作移动性（即非定点固定安装）测量，适用于管网流动状况评估测定。

2.2超声流量计为无流动阻挠测量，无额外压力损失。

2.3超声流量计适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，可认为是在无法实现实流校验的情况下优先考虑的选择方案。

2.4超声流量计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。

2.5某些传播时间法超声流量计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。

2.6传播时间法超声流量计只能用于清洁液体和气体。

2.7外夹装换能器的超声流量计不能用于衬里或结垢太厚的管道，也不能用于衬里（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。

3分类

超声波流量计的种类很多。依照不同的分类方法，可以分为不同类型的超声波流量计。

3.1按测量原理分类

封闭管道用USF按测量原理有多种，用得最多的是传播时间法和多普勒法两大类。

3.2按被测介质分类

有气体用和液体用两类。

3.3传播时间法按声道数分类

按声道数分类常用的有单声道、双声道、四声道和八声道4种。

3.4按换能器安装方式分类

可分为可移动安装式和固定安装式两种。

3.5根据实际应用的需要分类

超声波流量计又分为外夹式、插进式、管段式3种。

二、弗莱克森超声波流量计

华北石化公司渣油加氢装置进口了几台德国弗莱克森超声波流量计。

1基本原理

在超声测量流量时，要确定流体在管道中的流动速度，进一步的物理量由流速和额外的物理量导出。

1.1组成

该测量系统由一个主机、带有传感器电缆的超声波传感器和用于进行测量的管道组成。超声波传感器安装在管道的外侧，超声波信号通过流体传递，并由传感器接收。主机控制测量周期，消除干扰信号，分析有用信号。测量值可以显示，用于计算和传输。

2测量原理

利用传输时差原理，在传输时差模式下测量了流体的流动速度。如果气体或 固体颗粒的比例过高，主机可以切换到噪声模式。流速在管道横截面上的分布，为了获得最佳的测量结果，流动剖面必须完全展开并呈轴对称，流型的分布取决于流是层流还是湍流，并受测量位置供给管路条件的影响，当检测到含有大量气泡或固体颗粒的流体时，超声信号的衰减增大，抑制信号在流体中的传播。使得传输时差模式下的无法测量。

噪声跟踪模式利用了流体中气泡和固体颗粒的存在。在传输时差模式中使用的测量设置不需要更改。超声信号在短时间间隔内被送入流体，由气泡或固体颗粒反射，然后再由传感器接收。确定了由同一颗粒反射的两个连续测量信号之间的传输时差。传输时间差与粒子在两个测量信号之间的时间内所走过的距离成正比，因此与粒子通过管道的速度成正比。

3超声波流量计的优缺点

3.1优点

3.1.1非接触式测量：超声波流量计是通过测量流体中超声波的传播速度来推算流量的，无需与流体接触，因此不会对流体产生干扰，保证了测量的精度和稳定性。

3.1.2精度高：超声波流量计的测量精度通常在±1%以内，有些型号的精度甚至可以达到±0.5%或更高。这使得它在许多领域，特别是需要高精度流量测量的领域，如石油化工、水利工程、能源等，具有广泛的应用。

3.1.3稳定性好：由于超声波流量计采用非接触式测量，不会受到流体物性变化的影响，如温度、压力、粘度等的影响，因此其稳定性较好。

3.1.4操作方便：超声波流量计通常采用液晶显示屏和按键操作，使用简单方便，无需特殊的培训。

3.2缺点

3.2.1对流场分布敏感：超声波流量计对流场分布的变化比较敏感，因此需要在安装时保证流场分布的均匀性，否则会影响测量精度。

3.2.2安装和维护较复杂：相比其他类型的流量计，超声波流量计的安装和维护较为复杂，需要专业的技术人员进行安装和维护。

3.2.3价格较高：超声波流量计的价格通常较高，这也限制了其在一些低成本场合的应用。