超聲波流量計及其在測量中應注意的幾個(gè)問(wèn)題

    近年來(lái)，隨著(zhù)工業(yè)及電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波實(shí)用技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，超聲波流量計即是非常成功的一例。如今，超聲波流量計已經(jīng)被廣泛應用于各種流體的測量，在測量工作中起著(zhù)非常重要的作用。本文就傳播速度差法超聲波流量計原理及其在測量中應注意的實(shí)際問(wèn)題作一介紹。

    1 3個(gè)基本假定

    傳播速度差法超聲波流量計測量的流速只是管路某一個(gè)直徑方向上的平均流速，該測量值是線(xiàn)平均，不是一般要求的面平均。因此，該測量值與實(shí)際流量值之間存在一定的誤差，但一般地說(shuō)，如果流速分布的變化不大，測量精度的影響大約在1%以下�；�于此，在根據幾何聲學(xué)原理推導超聲波流量計基本方程時(shí)，應遵循3個(gè)基本假定：

    （1）管道內流體質(zhì)點(diǎn)各點(diǎn)流速沿橫截面均勻分布，并認為等于平均流速；
    （2）不考慮超聲波射線(xiàn)在流動(dòng)媒質(zhì)中傳播時(shí)的曲線(xiàn)軌跡和傳播方向的改變；
    （3）忽略聲導折射面上的曲率，并認為管道內壁光滑。

    2 流量計原理

    超聲波流量計是在管路的外側壁上下游相向地安裝一對能發(fā)射和接收超聲波的探頭，即超聲波發(fā)生器和接收器，并使每個(gè)探頭能接收另一個(gè)探頭發(fā)出的波信號，如圖1所示。

    根據運動(dòng)學(xué)原理，利用流體傳播超聲的特性，聲波向上游傳播時(shí)速度為：

    C - Vcosθ；

    時(shí)間為：t₁ = D/（C - Vcosθ）；

    聲波向下游傳播時(shí)速度為：C + Vcosθ；

    時(shí)間為：t₂ = D/（C + Vcosθ）；

    傳播的時(shí)間差值為：△T，即速度差：

    △T = t₁ - t₂ = D/（C - Vcosθ）- D/（C + Vcosθ）

    由于液體流速V在每秒數米以下，而流體中聲速C約1500m/s，C²>>V²，

    所以：

    △T = 2VDcosθ/C²

    即：

    V = C²△T/（2Dcosθ）     （1）

    式中：C 為靜止流體中的聲速，m/s；
          V 為流體速度；
          D 為探頭之間的距離，m；
          θ為速度矢量和探頭取向問(wèn)所形成的角度。

    從式（1）可以看出，從發(fā)生器發(fā)的超聲波傳到接收器的速度變化與管路內的流體流速成正比。據此把管道參數置入儀器，采集數據經(jīng)變換器變換即得到瞬時(shí)流量，并得累計流量。

    瞬時(shí)流量為：

    Q = 450πDC²△Tsinθtanθ（m³/h）

    3 安裝方式

    （1）直接透過(guò)法，又稱(chēng)Z法，主要適用于流體以管軸為對稱(chēng)軸沿管軸平行流動(dòng)的情形，如圖2所示。

    （2）反射法，又稱(chēng)V法，主要適用于流體方向與管軸不平行，存在著(zhù)沿半徑方向流動(dòng)的速度分量時(shí)的情形。設該速度分量為W，超聲波射線(xiàn)傳播方向與管軸成θ角，于是在超聲波的傳播方向上便產(chǎn)生Wsinθ的分量：若按V法安裝傳感器，此分量便可以相互抵消，如圖3所示。

    （3）交叉法，又稱(chēng)X法，同V法，是V法的變形，如圖4所示。

    4 誤差分析

    主要誤差：

    （1）被測介質(zhì)溫度或濃度的變化引起聲速的相應變化，這稱(chēng)為純溫度、純濃度誤差，是系統的固有誤差，可以利用系數來(lái)修正。
    （2）雙通道參數的不對稱(chēng)，單通道時(shí)順流和逆流測量時(shí)參數的不一致所引起的誤差，稱(chēng)為附加溫度誤差，是隨機誤差。
    （3）流速斷面上實(shí)際流速分布與理想流速分布不一致而引起的測量誤差，稱(chēng)為流速斷面誤差，可以利用系數來(lái)修正。
    （4）聲波在聲道中多次反射引起對測量的干擾產(chǎn)生的誤差。
    （5）超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)的衰減、散射等對測量精度產(chǎn)生的影響。
    （6）管道內氣泡的影響。

    5 超聲波流量計的優(yōu)點(diǎn)

    （1）測量范同廣，不受流體物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的影響，可以對任何流體進(jìn)行測量；
    （2）測量方式多，非接觸式，可對不易接觸和觀(guān)察的流體進(jìn)行測量；
    （3）安裝方便，直接安裝于管道上，不需設置專(zhuān)門(mén)的流量井和太大的安裝空間；
    （4）測量簡(jiǎn)便，指示讀數與所測流體流量成線(xiàn)性函數，便于流量的直接讀數、記錄和累計；
    （5）測量精度高；
    （6）可以將轉換器與標準工業(yè)控制計算機相連接，更方便地對流量計進(jìn)行控制，對數據進(jìn)行各種操作，如讀取、存儲、打印、分析等。

    6 使用過(guò)程中的幾點(diǎn)注意事項

    （1）被測介質(zhì)中顆粒不能太大顆粒太大，超聲波的衰減將增大，測量精度就會(huì )下降；
    （2）管路中不能產(chǎn)生氣窩。在含有過(guò)多氣泡的液體中，超聲波不易透過(guò)，所以空氣對超聲波的衰減比較厲害，探頭一般應安裝在水流上流的管道上或水平管道的兩側面，不宜安裝在管道底部和頂部，頂部易于集聚氣泡，而大的異物通常沿底部流動(dòng)。
    （3）探頭前后設有一定的直管段。流量計受流速分布的影響很大，所以探頭設置的場(chǎng)所應盡可能遠離泵、閥門(mén)等流動(dòng)紊亂的地方，其前后必須設有必要的直管段，上流側需要直管段10D（D為管道直徑）以上，下流側需要5D左右，探頭距離水泵50D以上，距流量控制閥門(mén)30D以上。
    （4）安裝時(shí)探頭應置于管道的側面。因為氣泡一般集聚在管道的上方，大的異物則沿管道的底部流動(dòng)，他們都將造成超聲波的衰減。
    （5）探頭安裝的地方不能有腐蝕性氣體，以避免探頭腐蝕、損壞。
    （6）轉換器與流量計主機問(wèn)的電纜不宜太長(cháng)，一般應為500m以下，且遠離電磁場(chǎng)，以免受到電磁場(chǎng)干擾。影響測量精度。

    參考文獻

    [1] 超聲工業(yè)測量技術(shù)．上海人民出版社，1977.
    [2] （日）川田裕郎．流體測量手冊、計量出版社，1982.
    [3] （美）R．P．本尼迪克特．溫度、壓力、流量測量基礎．國防工業(yè)版社，1985.
    [4] 燕金剛．超聲流量計在污水處理廠(chǎng)中的應用．水泵技術(shù)，2003，4.