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超声波流量计技术讲座扬子石化公司计量中心站彭俊杰 2009年7月1超声波流量计23时差法超声波流量计的工作原理4时差法超声波流量计的工作原理（续1）5超声波的超声波的优缺点和局限性优缺点和局限性 n2.1 2.1 优点优点nUSFUSF可作非接触测量。夹装式换能器可作非接触测量。夹装式换能器USFUSF可无需停流截管安装，只要在既设管可无需停流截管安装，只要在既设管道外部安装换能器即可。这是道外部安装换能器即可。这是USFUSF在工业用流量仪表中具有的独特优点，因此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，适用于管网流淌状况评估测定。可作移动性（即非定点固定安装）测量，适用于管网流淌状况评估测定。nUSFUSF为无流淌阻挠测量，无额外压力损失。为无流淌阻挠测量，无额外压力损失。n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，既可接受干法标定，除带测量管段式外一般不需作实流校验。接受干法标定，除带测量管段式外一般不需作实流校验。nUSFUSF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便利，可认为在无法实现实流校验的状与管径无关。对于大型管道不仅带来便利，可认为在无法实现实流校验的状况下是优先考虑的选择方案。况下是优先考虑的选择方案。n多普勒多普勒USFUSF可测量固相含量较多或含有气泡的液体。可测量固相含量较多或含有气泡的液体。nUSFUSF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。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。n因易于实行与测试方法（如流速计的速度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，如速度分布严峻畸变测量，非圆截面管道测量等。决一些特殊测量问题，如速度分布严峻畸变测量，非圆截面管道测量等。n某些传播时间法某些传播时间法USFUSF附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声速以推断附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声速以推断所测液体类别。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。水。6超声波的超声波的优缺点和局限性（续优缺点和局限性（续1 1）n2.2缺点和局限性缺点和局限性n传播时间法传播时间法USF只能用于清洁液体和气体，不能测量只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；反之多普勒法悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；反之多普勒法USF只能用于测量含有确定异相的液体。只能用于测量含有确定异相的液体。n外夹装换能器的外夹装换能器的USF不能用于衬里或结垢太厚的管道，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峻衰减超声信号）或锈蚀严峻（变更超夹有气体会严峻衰减超声信号）或锈蚀严峻（变更超声传播路径）的管道。声传播路径）的管道。n多普勒法多普勒法USF多数状况下测量精度不高。多数状况下测量精度不高。n国内生产现有品种不能用于管径小于国内生产现有品种不能用于管径小于DN25mm的管道。的管道。7超声波的超声波的分类和结构分类和结构 n3.1组成组成nUSF主要由安装在测量管道上的超声换能器（或由换能器和测量管组成的超声流量传感器）和转换器组成。n转换器在结构上分为固定盘装式和便携式两大类。n换能器和转换器之间由专用信号传输电缆连接，在固定测量的场合需在适当的地方装接线盒。n夹装式换能器通常还需配用安装夹具和耦合剂。n图7是系统组成示例，此例是测量液体用传播时间法单声道Z法夹装式USF。（见后页）8第三节第三节 分类和结构（续分类和结构（续2 2）n3.2 3.2 分类分类可以从不同角度对超声流量测量方法和换能器（或传感器）进行分类。n（1）按测量原理分类封闭管道用USF按测量原理有5种，如2节所述，现在用得最多的是传播时间法和多普勒法两大类。n（2）按被测介质分类9超声波的超声波的分类和结构（续分类和结构（续3 3）n有气体用和液体用两类。传播时间法 USF两种介质各自专用，因换能器工作 频率各异，通常气体在100300kHz之 间，液体在15MHz之间。气体仪表不 能用夹装式换能器，因固体和气体边 界间超声波传播效率较低。（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 道和八声道四种。近年有出现三声道、五声道和六声道。四声道及以上的多声 道配置对提高测量精度起很大作用。各声道按换能器分布位置（见图8），又可分为以下几种。1）单声道 有Z法（透过法）和V法 （反射法）两种。2）双声道 有X法（2Z法、交差法）、2V法和平行法三种。3）四声道 有4Z法和平行法两种。4）八声道 有平行法和两平行四声 道交差法二种。（4）按换能器安装方式分类有：1）可移动安装2）固定安装10超声波的超声波的选用考虑要点选用考虑要点n4.1 4.1 测量原理的选择测量原理的选择 选择液体用选择液体用USFUSF首先考虑测量原理是传播时间首先考虑测量原理是传播时间法还是多普勒法？其主要推断要素是：液体干净法还是多普勒法？其主要推断要素是：液体干净程度或杂质含量，测量精度要求。基本适用条件程度或杂质含量，测量精度要求。基本适用条件如表如表1 1所示。所示。n 需插入需插入1 1个表格及一段描述个表格及一段描述11超声波的超声波的选用考虑要点（续选用考虑要点（续1 1）n4.2适用悬浮颗粒含量的范围适用悬浮颗粒含量的范围n多普勒法多普勒法USF要比传播时间法适用悬浮颗粒含量上限要比传播时间法适用悬浮颗粒含量上限高得多，而且可以测量连续混入气泡的液体。但是依高得多，而且可以测量连续混入气泡的液体。但是依据测量原理，被测介质中必需含有确定数量的散射体，据测量原理，被测介质中必需含有确定数量的散射体，否则仪表就不能正常工作。否则仪表就不能正常工作。n传播时间法传播时间法USF可以测量悬浮颗粒很少的液体，但不可以测量悬浮颗粒很少的液体，但不能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较大固体物的液体。在这种状况下应用，应在换能器的大固体物的液体。在这种状况下应用，应在换能器的上游进行消气、沉淀或过滤。在悬浮颗粒含量过多或上游进行消气、沉淀或过滤。在悬浮颗粒含量过多或因管道条件致使超声信号严峻衰减而不能测量时，有因管道条件致使超声信号严峻衰减而不能测量时，有时可以试降低换能器频率，予以解决。时可以试降低换能器频率，予以解决。12超声波的超声波的选用考虑要点（续选用考虑要点（续2 2）n4.3 4.3 测量精确度测量精确度（1 1）传播时间法）传播时间法 传播时间法比多普勒法有较高的测量精确度，液传播时间法比多普勒法有较高的测量精确度，液体基本误差为体基本误差为0.50.5R R至至55FSFS，重复性为，重复性为0.10.1R-R-0.30.3R R；气体基本误差为；气体基本误差为0.50.5R R到到33FSFS，重复，重复性为性为0.20.2R-0.4R-0.4FSFS，高精度仪表均为多声道仪表。，高精度仪表均为多声道仪表。中小口径液体管段式超声流量传感器通常都用水做试中小口径液体管段式超声流量传感器通常都用水做试验校验，具有验校验，具有0.50.5R R的高精度。管外夹装换能器或的高精度。管外夹装换能器或在现场管道固定安装换能器的仪表，要通过定标计算在现场管道固定安装换能器的仪表，要通过定标计算接入现场管道流通面积和传播距离长度测量误差，夹接入现场管道流通面积和传播距离长度测量误差，夹装在管道的不确定性，声耦合变更等因素，要降低些。装在管道的不确定性，声耦合变更等因素，要降低些。若安装调试粗糙不细致，测量精确度有可能低到若安装调试粗糙不细致，测量精确度有可能低到5 5，甚至更低。测量精确度还取决于声道数设置及其布置甚至更低。测量精确度还取决于声道数设置及其布置位置，下文将进一步探讨。位置，下文将进一步探讨。13超声波的超声波的选用考虑要点（续选用考虑要点（续3 3）n（2）多普勒法n典型仪表的基本误差为（1-10）FS，重复性为（0.2-1）FS。工业用多普勒法USF的超声波频率为（0.5-2）MHz。多普勒信号包含着不同散射体移动速度的频谱，检测电路供应多普勒频移若干平均测量值以求的速度。所测的散射体速度和流体平均流速之间的关系，随着不同状况而变更，有确定不确定性。n多普勒法USF性能因受以下一些缘由所形成的因素影响，整体性能要比传播时间法低得多。例如：散粒体的性质；非轴向速度重量形成的多普勒频移增宽；被照射域位置的不确定性；散射体和基相液体间的滑差。因此有些制造厂的技术数据仅列出仪表的重复性而不列测量精确度或基本误差。n流体运行流速不能过低，过低的流速会使离散体分布不匀整。若测量管水平安装，气体会浮升在顶部流淌，颗粒会沉淀于底部。最低流速通常为（0.1-0.6）。14超声波的超声波的选用考虑要点（续选用考虑要点（续4 4）n4.4 4.4 声道设置和直管段要求声道设置和直管段要求 多普勒法多普勒法USFUSF通常只有单套发送和接收换能器；便携式外夹装换能器传播通常只有单套发送和接收换能器；便携式外夹装换能器传播时间法时间法USFUSF通常也只有单声道，其他夹装式则也有用双声道者，带测量管段式通常也只有单声道，其他夹装式则也有用双声道者，带测量管段式有单声道和双声道以上。有单声道和双声道以上。（1 1）传播时间法传播时间法 传播时间法接受多少声道的主要依据是测量精确度要求和安装仪表管段流传播时间法接受多少声道的主要依据是测量精确度要求和安装仪表管段流淌状况（取决于上游阻流件组成和直管段条件），以及管径大小。例如淌状况（取决于上游阻流件组成和直管段条件），以及管径大小。例如BS7405BS7405举荐管径大于举荐管径大于0.5m0.5m用用3 3或或4 4声道，达于声道，达于3m3m则用则用8 8声道声道单声道从单一路径的线平均流速乘上系数代表平均流速。单一路径声道的换单声道从单一路径的线平均流速乘上系数代表平均流速。单一路径声道的换能器设置通常是通过管道中心，即在横截面投影圆的直径上，其系数即如图能器设置通常是通过管道中心，即在横截面投影圆的直径上，其系数即如图10.210.2所示。也右声道设置在弦的位置上。流淌速度分布畸变和存在径向速度所示。也右声道设置在弦的位置上。流淌速度分布畸变和存在径向速度重量（如涡流、二次流）则会变更该系数值，弦位置的影响比直径位置的影重量（如涡流、二次流）则会变更该系数值，弦位置的影响比直径位置的影响小。多声道测量多路径线平均流速，更削减流淌畸变影响，提高测量精度。响小。多声道测量多路径线平均流速，更削减流淌畸变影响，提高测量精度。确定声道数有的可按仪表样本规范选择（如管段式确定声道数有的可按仪表样本规范选择（如管段式USFUSF，除单声道外较多，除单声道外较多接受双声道计量声道以上），有的则向仪表制造场联系磋商（如现场安装式接受双声道计量声道以上），有的则向仪表制造场联系磋商（如现场安装式USFUSF，特殊是大管径应用，通常为，特殊是大管径应用，通常为3-83-8声道）。声道）。为了获得流体沿管道中心平行对称地流淌，测量点上下游要有足够的长度直为了获得流体沿管道中心平行对称地流淌，测量点上下游要有足够的长度直管段作有效整流。不能满足时应设置流淌调整器。管段作有效整流。不能满足时应设置流淌调整器。传播时间法传播时间法USFUSF直管段长度要求尚未有国际标准或国家标准规定值，应按直管段长度要求尚未有国际标准或国家标准规定值，应按制造厂供应的规定。表制造厂供应的规定。表2 2例举几个不同来源提出的要求，可作为选型时的一般例举几个不同来源提出的要求，可作为选型时的一般依据。依据。15超声波的超声波的选用考虑要点（续选用考虑要点（续4 4）n（2）多普勒法 插1表格16超声波的超声波的选用考虑要点（续选用考虑要点（续5 5）n对多普勒法USF的直管段要求也没有国际标准和国家标准的规定值。人们对多普勒法USF直管段要求程度在看法上也迥然不同。一种看法认为：从原理上讲多普勒法仅测量“照射域”内散射体的流速，其测量值受流速分布影响比传播时间法大。为了尽量削减这种影响，除了实行其他一些方法外，还应保证照射测量域的上下游有足够长度的直管段，以得到较好的流淌状态。例如日本电气计测工业会认为多普勒法USF所需直管段长度一般应是传播时间法的1.5倍。然而另一种看法是：多普勒法USF本身测量精确度等性能较低，流速分布影响相对于总体测量精确度不重要，直管段要求反而降低。例如有仪表制造厂提出只要在测量点上下游保持大于（3-5）DN的直管段。17超声波的超声波的选用考虑要点（续选用考虑要点（续6 6）n4.5 4.5 换能器类型的选择换能器类型的选择n（1 1）传播时间法传播时间法 本类仪表可接受换能器的类型较多，各厂家换能器结本类仪表可接受换能器的类型较多，各厂家换能器结构不同，适用的流体条件（温度、压力等）、管道条件构不同，适用的流体条件（温度、压力等）、管道条件（材质、形态、管径、直管长度等）和安装条件等也不相（材质、形态、管径、直管长度等）和安装条件等也不相同。此外还与声道的设置方法有关，而声道的设置方法又同。此外还与声道的设置方法有关，而声道的设置方法又与测量精度和重复性等亲密相关。气体用与测量精度和重复性等亲密相关。气体用USFUSF因固体和气因固体和气体界面间超声波传播效率特别低，只能用直射式换能器。体界面间超声波传播效率特别低，只能用直射式换能器。因此气体流量测量一般不接受外夹装式因此气体流量测量一般不接受外夹装式USFUSF。n（2 2）多普勒法多普勒法本类仪表用的折射式换能器。目前国内产品大部分接受夹本类仪表用的折射式换能器。目前国内产品大部分接受夹装式，但与传播时间法所用的夹装式换能的放射频率等技装式，但与传播时间法所用的夹装式换能的放射频率等技术性能不同，不能混用。然而两者适用管道条件是基本相术性能不同，不能混用。然而两者适用管道条件是基本相同的。同的。18超声波的超声波的选用考虑要点（续选用考虑要点（续7 7）n4.6 4.6 安装布置方面的考虑安装布置方面的考虑n1 1）安装位置和流淌方向安装位置和流淌方向 USF USF的流量传感部分（超声流量传感器的流量传感部分（超声流量传感器或超声换能器）一般均可安装于水平、倾斜或垂直管道。垂直管或超声换能器）一般均可安装于水平、倾斜或垂直管道。垂直管道最好选择自下而上流淌的场所，若为自上而下，则其下游应有道最好选择自下而上流淌的场所，若为自上而下，则其下游应有足够的背压，例如有高于测量点的后续管道，以防止测量点出现足够的背压，例如有高于测量点的后续管道，以防止测量点出现非满管流。非满管流。n2 2）单向流还是双向流）单向流还是双向流 通常为单向流，但也可通过较困难电子线通常为单向流，但也可通过较困难电子线路，设计成双向流淌，此时流量测量点两侧直管段长度均应按上路，设计成双向流淌，此时流量测量点两侧直管段长度均应按上游直管段的要求布置。游直管段的要求布置。n3 3）管道条件）管道条件 外夹装式外夹装式USFUSF管道内表面积沉积层会产生声波不良传管道内表面积沉积层会产生声波不良传输和偏离预期声道路径和长度，应予避开；外表面因易于处理较输和偏离预期声道路径和长度，应予避开；外表面因易于处理较少影响。夹装式换能器和管道接触表面要涂上耦合剂。应留意粒少影响。夹装式换能器和管道接触表面要涂上耦合剂。应留意粒状结构材料（例如铸铁、混凝土）的管道，很可能声波被分散，状结构材料（例如铸铁、混凝土）的管道，很可能声波被分散，大部分声波传送不到流体而降低性能。换能器安装处管道衬里或大部分声波传送不到流体而降低性能。换能器安装处管道衬里或锈蚀层与管壁之间不能有缝隙。用锈蚀层与管壁之间不能有缝隙。用V V法的反射处必需避开焊缝和接法的反射处必需避开焊缝和接口（参见图口（参见图1111）。）。19超声波的超声波的选用考虑要点（续选用考虑要点（续7 7）n4）上游流淌扰动 与大部分其他流量仪表一样，USF敏感于流过仪表的流速分布剖面，因此也要求相当长度的上游直管段。前文已对直管段要求作了探讨。n5）防止声干扰 应留意由限制阀高压力降等所形成的声学干扰，特殊在测量气体流量时尤为重要，设法避开之。例如德国Instromet公司的USF显示仪中有声干扰实时测量报警；测量管道中接受如图9所示弯管阻断声干扰的措施。20超声波的超声波的选用考虑要点（续选用考虑要点（续8 8）n4.7经济因素方面的考虑经济因素方面的考虑n小口径小口径USF与其他流量仪表相比价格较贵，然而非管段式与其他流量仪表相比价格较贵，然而非管段式USF价价格并不明显增加。所以用于大口径、超大口径仪表有明显价格优格并不明显增加。所以用于大口径、超大口径仪表有明显价格优势。多声道仪表有较困难电子计算部件，价格要高些，因此在要势。多声道仪表有较困难电子计算部件，价格要高些，因此在要求高精度的中小管径上应用受到一些限制。然而上有扰动大而直求高精度的中小管径上应用受到一些限制。然而上有扰动大而直管段布置受限制的场所，多声道系统可能是仅有的合理解决方案。管段布置受限制的场所，多声道系统可能是仅有的合理解决方案。n外夹装式便携式外夹装式便携式USF的机动性和可以多处运用，仪表购置费可分的机动性和可以多处运用，仪表购置费可分摊给各测量点，从而降低测量成本。摊给各测量点，从而降低测量成本。USF的流量校验费用，外夹装式仪表通常不作实流校验，仅作静的流量校验费用，外夹装式仪表通常不作实流校验，仅作静态调试，液体用仪表可充溢液调试；管段式仪表为提高仪表精度，态调试，液体用仪表可充溢液调试；管段式仪表为提高仪表精度，均作实流校验。因为这些校验或调试在出厂前进行，一般包括在均作实流校验。因为这些校验或调试在出厂前进行，一般包括在价格内。价格内。n大管径仪表为了提高测量精确度或用户须要在现场考核其精确度，大管径仪表为了提高测量精确度或用户须要在现场考核其精确度，或者测量位置流场畸变严峻必需作实流标定，在测量原位用速度或者测量位置流场畸变严峻必需作实流标定，在测量原位用速度面积法等方法在线校验，则应考虑其校验费用。面积法等方法在线校验，则应考虑其校验费用。21超声波的安装留意事项超声波的安装留意事项n5.1 5.1 流量传感器或换能器的安装流量传感器或换能器的安装n（1 1）流量传感器（即带测量管段的插入式换能器总成）的安装）流量传感器（即带测量管段的插入式换能器总成）的安装1 1）安装本类流量传感器时管网必需停流，测量点管道必需截断后接安装本类流量传感器时管网必需停流，测量点管道必需截断后接入流量传感器。入流量传感器。n2 2）连接流量传感器的管道内径必需与流量传感器相同，其差别应在）连接流量传感器的管道内径必需与流量传感器相同，其差别应在11以内。以内。n3 3）流量传感器上的传感器尽可能在如图）流量传感器上的传感器尽可能在如图1010所示与水平直径成所示与水平直径成4545度的度的范围内，避开在垂直直径位置旁边安装。否则在测量液体时换能器声范围内，避开在垂直直径位置旁边安装。否则在测量液体时换能器声波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。4 4）测量液体时安装位置必需充溢液体。）测量液体时安装位置必需充溢液体。5 5）上下游应有必要的直管段。）上下游应有必要的直管段。22超声波的安装留意事项（续超声波的安装留意事项（续1 1）n（2）外夹装式换能器的安装。上面2）、3）、4）、5）各项应同样留意外，还应留意以下各点。1）剥净安装段内保温层和爱护层，并把换能器按装处的壁面打磨干净。避开局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。2）对于垂直设置的管道，若为单声道传播时间法仪表，换能器的安装位置应尽可能在上游弯管的弯轴平面内（见图11），以获得弯管流场畸变后较接近的平均值。23超声波的安装留意事项（续超声波的安装留意事项（续2 2）n3）换能器安装处和管壁反射处必需避开接口和焊缝，如图12以V法示例。n4）换能器安装处的管道衬里和垢层不能太厚。衬里、锈层与管壁间不能有间隙。对于锈蚀严峻的管道，可用手锤震击管壁，以震掉壁上的锈层，保证声波正常传播。但必需留意防止击出凹坑。n5）换能器工作面与管壁之间保持有足够的耦合剂，不能有空气和固体颗粒，以保证耦合良好。n6）多普勒法夹装式换能器安装有对称安装和同侧安装两种方法，如图13所示。对称安装适用于中小管径（通常小于600mm）管道和含悬浮颗粒或气泡较少的液体；同侧安装适用于各种管径的管道和含悬浮颗粒或气泡较多的液体。24