超聲波流量計(jì)的造型和使用

 超聲波流量計(jì)是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表，它從80年代開始進(jìn)入我國工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量領(lǐng)域，并在90年代得到迅速發(fā)展。文章對(duì)我們國內(nèi)市場上出現(xiàn)了各類超聲波流量進(jìn)行了深入研究分析，結(jié)合多年的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)闡述了超聲波流量計(jì)的分類方法；從儀表性能、被測介質(zhì)經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性等方面總結(jié)了選用超聲波流量的原則，并對(duì)應(yīng)用中如何選位、安裝、維護(hù)提出具體建議，為用戶合理選擇和應(yīng)用超聲波流量計(jì)提供了一些可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)和方法。
       關(guān)鍵詞    超聲流量計(jì)；換能器；時(shí)差式；安裝方式
    
    近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快，基于不同原理，適用于不同場合的各種型式的超聲波流量計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)廣大用戶提出如何認(rèn)識(shí)超聲波流量計(jì)、怎樣選擇合適的類型，使用中應(yīng)注意些什么問題等一系列問題，本文綜合國內(nèi)超聲波流量計(jì)目前的發(fā)展情況及多年應(yīng)用的實(shí)踐，對(duì)上述問題進(jìn)行了些探討。
   1 超聲波流量計(jì)的分類

   超聲波流量計(jì)的各類很多，依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計(jì)。
    1.1 多普勒式超聲波流量計(jì)

    如圖1，換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號(hào)，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；驓馀莺?，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多普勒將就，f2與f1之差即為多普勒頻差fd。
   設(shè)流體流速為v，超聲波聲速為c，多普勒頻移fd正比于流體流速v，即

所以流體流速

當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數(shù)，流體流速和多普勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。

        1.2時(shí)差式超聲波流量計(jì)

    時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。
    如圖2，換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號(hào)，這是順流方向，其傳播時(shí)間為

    反之，逆流方向的傳播時(shí)間為：
    時(shí)間差為：
    由于c>>v，故

    所以，流體流速
    同樣，c、L、θ均為常數(shù)，測得時(shí)間差△t即可求出流體流速v進(jìn)而求得流體流量。

   2 區(qū)別

    根據(jù)超聲波流量計(jì)使用場合不同，可以分為固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)。

    2.1這兩類超聲波流量計(jì)的主要區(qū)別

    （1）適用的場合不同
    固定式超聲波流量計(jì)用于安裝在某一固定位置，對(duì)某一特定管道內(nèi)流體的流量進(jìn)行長期不間斷的計(jì)量；便攜式超聲波流量計(jì)具有很大的機(jī)動(dòng)性，主要用于對(duì)不同管道的流體流量作臨時(shí)性測量。
    （2）供電方式不同
    固定式超聲波流量計(jì)要求長期連續(xù)運(yùn)行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計(jì)既可以使用現(xiàn)場的交流電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5～10h［小時(shí)］，大大方便了不同場合臨時(shí)性流量測量的需要。
    （3）部分功能不同
    固定式超聲波流量計(jì)，通常都有4-20mA信號(hào)輸出或RS485等功能，供遠(yuǎn)傳顯示使用，但其內(nèi)部只能存貯一條管道的參數(shù)；便攜式超聲波流量計(jì)只是為了現(xiàn)場查看當(dāng)時(shí)流量和短時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量，故一般無輸出信號(hào)功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時(shí)存貯數(shù)十條不同管道的參數(shù)，供隨時(shí)調(diào)出使用。

3 超聲波流量計(jì)的選型

    超聲波流量計(jì)除上述各種類型外，近年來又出現(xiàn)了采用數(shù)字化電路的數(shù)字式超聲波流量計(jì)，把換能器和轉(zhuǎn)換器做在一起的一體式超聲波流量計(jì)，等等。面對(duì)眾多類型的超聲波流量計(jì)，用戶要根據(jù)實(shí)際情況和測量需要合理選型。

    3.1多普勒式超聲波流量計(jì)

    只能用于測量含有適量能反射超聲波信號(hào)的顆?；驓馀莸牧黧w，如工廠排放液、未處理的污水、雜志含量穩(wěn)定的工廠過程液等。要注意它對(duì)被測介質(zhì)要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時(shí)雜技含量要相對(duì)穩(wěn)定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對(duì)被測廠家的要求也不一樣。選擇此類超聲波流量計(jì)即要對(duì)被測介質(zhì)心中有數(shù)，也要對(duì)所選用的超聲波流量計(jì)的性能、精度和對(duì)被測介質(zhì)的要求有深入的了解。

    3.2便攜式超聲波流量計(jì)

適用于臨時(shí)性測量，主要用于校對(duì)管道上已安裝其它流量儀表的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行一個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體平衡測試 ，檢查管道的當(dāng)時(shí)流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時(shí)，選用便攜式超聲波流量計(jì)既方便又經(jīng)濟(jì)。

   4.2 合理安裝

   換能器安裝不合理是超聲波流量計(jì)不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個(gè)問題。確定位置時(shí)除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調(diào)速囂、電焊機(jī)等污染電源的場合。在安裝方式上，主要有對(duì)貼安裝方式和V方式、Z方式三種，如圖3。多普勒式超聲波流量計(jì)采用對(duì)貼式安裝方式，時(shí)差式超聲波流量計(jì)采用V方式和Z方式，通常情況下，管徑小于300mm時(shí)，采用V方式安裝， 管徑大于200mm時(shí)，采用Z方式安裝。對(duì)于即可以用V方式安裝又可以方式安裝的換能器，盡量選用Z方式。實(shí)踐表明，Z方式安裝的換能器超聲波信號(hào)強(qiáng)度高，測量的穩(wěn)定性也好。

Z方式 V方式。對(duì)貼方式

結(jié)束語

目前，超聲波流量計(jì)的各類很多，應(yīng)用也很廣泛，在流量測量方面發(fā)揮著越來越重要的作用，而且其技術(shù)更新很快，不斷有新型的超聲波流量計(jì)推向市場，走向用戶。只有把握超聲波流量計(jì)的發(fā)展方向，才能更好的了解它，應(yīng)用它，使它更好的服務(wù)于生產(chǎn)和計(jì)量工作。