关键词：超声流量计   换能器   时差式   安装方式   选型   精度 

Abstract: The ultrasonic flowmeter is a kind of pulse velocity type flow meter to measure the fluid flow by ultrasonic, it is from the beginning of 80s, China's industrial production and metrology, and got rapid development in 90s. This paper makes a deep research and Analysis on the various types of ultrasonic flow appeared on the domestic market, with many years of practical experience, introduced the classification of ultrasonic flowmeter; from the instrument performance, measured medium economic, practical and other aspects summarizes the selection principle of ultrasonic wave flow, and the application to selection and positioning installation, maintenance, put forward specific proposals, provides some experience and methods for reasonable selection and application of ultrasonic flowmeter. 关键词 超声流量计；换能器；时差式；安装方式、选型、测量精度。

Key words：Ultrasonic flowmeter   Transducer   Time difference   Installation mode  

Type selection   Accuracy

【中图分类号】TV698.1+5【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2017）05-0000-00

1 引言

流量计对于流程工业而言几乎是不可或缺的工艺自动化参量。流量是非常重要和复杂的工业社会基本物流数据参量。用于流量测量的流量计几乎是工业制造业最复杂的一次和二次仪表。可以毫不夸张的说，工业流量计是最复杂的工业仪表设计与应用以及装备管理技术。

超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表，它从80年代开始进入我国工业生产和计量领域，并在90年代得到迅速发展。

近几年来，随着电子技术、数字技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快，基于不同原理，适用于不同场合的各种型式的超声波流量计得到了广泛应用，同时也对广大用户提出如何认识超声波流量计、怎样选择合适的类型，使用中应注意些什么问题等，提出了一系列问题，本文综合国内超声波流量计目前的发展情况及多年应用的实践，对上述问题进行了些探讨。

2 关于超声流量计   

超声流量计是流量计中的一个重要品类，在大通径管道流体的流量测量领域，超声流量计占有不可替代的工程地位。

超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。它的测量准确度很高，几乎不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决其它仪表不能的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。                           

超声流量计现今所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m/s左右，被测流体流速（流量）变化带给声速的变化量最大也是10-3数量级．若要求测量流速的准确度为1%，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前提下才能得到实际应用的原因。

3 原理与结构

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。

超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适合的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。

超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故入声楔中，构成换能器整体（又称探头）。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。

4 工程选型技术

超声波流量计除上述各种类型外，近年来又出现了采用数字化电路的数字式超声波流量计，把换能器和转换器做在一起的一体式超声波流量计等。面对众多类型的超声波流量计，用户要根据实际情况和测量需要合理选型。

4.1 多谱勒式超声波流量计

多谱勒式超声波流量计只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂质含量稳定的工厂过程液等。要注意它对被测介质要求比较苛刻，即不能是洁净水，同时杂技含量要相对稳定，才可以正常测量，而且不同厂家的仪表性能及对被测厂家的要求也不一样。选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解。

4.2 便携式超声波流量计

适用于临时性测量，主要用于校对管道上已安装其它流量仪表的运行状态，进行一个区域内的流体平衡测试，检查管道的当时流量情况等。如果不作固定安装，而用于这些用途时，选用便携式超声波流量计既方便又经济。

4.3 时差式超声波流量计

目前生产最多、应用范围最广泛的是时差式超声波流量计。它主要用来测量洁净的流体流量，在自来水公司和工业用水领域，得到广泛应用。此外它也可以测量杂质含量不高（杂质含量小于10g/L，粒径小于1mm）的均匀流体，如污水等介质的流量，而且精度可达±1.5%。实际应用表明，选用时差式超声波流量计，对相应流体的测量都可以达到满意的效果。

超声波在液体中传播，由于流体流速不同会使超声波传播速度发生变化。如图1所示，取超声波在静止流体中声速为c，流体流速为v，上下游传感器的安装距离为L。当超声波传播方向与流体方向一致时，超声波传播速度为（c+v）；当超声波传播方向与流体方向相反时，超声波传播速度为（c-v）；则顺流方向传播时间tl=L/(c+v)，逆流方向传播时间t₂=L/(c-v)。c、L为常数，测得时间差△t即可求出流体流速v，进而求得流体流量：

时间差为：由于c>v，故所以，流体流速可测为V。同样，c、L、θ均为常数，测得v进而时间差△t即可求出流体流速V求得流体流量。

4.4 管道式超声波流量计

精度最高，可达到±0.5%，而且不受管道材质、衬里的限制，适用于流量测量精度要求高的场合。但随着管径的增大，成本也会随着增加，通常情况下，选用中小口径的管段式超声波流量计，较为经济。

4.5 固定式超声波流量计

如果有足够的安装空间，使用插入式换能器代替外贴式换能器，彻底消除了管衬、结垢及管壁对超声波信号衰减的影响，测量稳定性更高，也大大减小了维护工作量。而且，由于插入式换能器也可以不断流安装，所以其应用正在不断推广。有的厂家推出了内部为数字化电路的超声波流量计，其特点是采用数字电路处理信号，纠错能力增强，取样及时，精度提高（模拟电路的精度为±1.5%，数字电路可以达到±1.0%），而且集成度提高，仪表体积大大减小，有多种信号输出模式供选择，在实际应用也取得了很好的效果。用户在使用中可以和模拟电路的超声波流量计进行比较。超声波流量计的功能选择，用户可以根据实际情况来确定。如果测量双向流体，一定要选择带有正负计量功能的超声波流量计；如果用户需要定期了解流体在一定时段有流量情况，可以选择带打印机的超声波流量计。总之，所选择的超声波流量计的功能既要满足用户需要，也不必贪多求全，造成许多功能闭置不用，而增加购买成本。

5 工程安装技术

5.1 正确选型

这是超声波流量计能够正常工作的基础。如果选型不当，或会造成流量无法测量，或者用户使用不便等后果。

5.2 详细了解安装现场情况
超声波流量计在安装之前应了解现场情况，包括：

（1）安装传感器处距主机距离为多少；

（2）管道材质、管壁厚度及管径；
（3）管道年限；
（4）流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管；
（5）流体温度；
（6）安装现场是否有干扰源（如变频、强磁场等）；
（7）主机安放处四季温度；
（8）使用的电源电压是否稳定；

（9）是否需要远传信号及种类；根据以上提供的现场情况，厂家可针对现场情况进行配置，必要情况下也可特制机型。

5.3 选择安装位置

选择安装管段对测试精度影响很大，所选管段应避开干扰和涡流这两种对测量精度影响较大的情况，一般选择管段应满足下列条件：

（1）避免在水泵、大功率电台、变频，即有强磁场和震动干扰处安装机器；

（2）选择管材应均匀致密，易于超声波传输的管段；

（3）要有足够长的直管段，安装点上游直管段必须要大于10D（注：D=直径），下游要大于5D；

（4）安装点上游距水泵应有30D距离；

（5）流体应充满管道；

（6）管道周围要有足够的空间便于现场人员操作，地下管道需做测试。

5.4 工程安装技术

换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时除保证足够的上、下游直管段外，尤其要注意换能器尽量避开有变频调速器、电焊机等污染电源的场合。在安装方式上，主要有对贴安装方式和V方式、Z方式三种，参见图2所示。

 图2 安装方式示意

多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式，时差式超声波流量计采用V方式和Z方式，通常情况下，管径小于300mm时，采用V方式安装，管径大于200mm时，采用Z方式安装。对于即可以用V方式安装又可以Z方式安装的换能器，尽量选用Z方式。实践表明，Z方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好。

超声波流量计的上下游探头有两种安装方法，一个就是主图形中的Z型安装，还有一种是V型安装，其V型安装由于超声波在发射后通过介质管道反射后最后在被另一传感器所接收，所以超声波信号受到衰减不如Z型超声波信号强，因此厂家建议使用Z型安装。现在的超声波发射、接收、检测、处理、换算计算都比较成功，因此从原理上实现介质测量没有问题。那么运行中还会经常出现故障，原因很多，最主要的也是最难得就是这个上下游探头的直线距离的确定。这个距离的确定虽然能够通过超声波转换器内部换算得到一个很精确的数字。可是前提是要确定这个安装管道的内径、外径，即这个管的厚度是多少。一个管线虽然都有规格系列产品，其外径都很好确定，既是不知也可由用卷尺精确的测量出来。难点就是这个内径的确定，因为介质在管道中流动其势必腐蚀管道，造成管道变薄、结垢、锈蚀等现象，如果我们无法确定安装的管道内径的准确数值，按照管道系列标注来确定内径，那么势必造成误差，这个一旦上下游传感器安装，其误差无法消除。而我们在安装超声波流量计上下游传感器时很多时候都是带压安装，即装置不能停车，管道中有介质流动，所以我们根本无法通过标尺来准确的检测内径的数值，这就是超声波流量计产生误差的主要原因。超声波流量计的两个探头，分为上下游探头，两个探头的安装不能颠倒，否则检测的流量显示负值。超声波流量计探头安装的另一个难点就是探头插入深度的确定，这个也是要准确的确定内径的大小（管壁的厚度），否则也会影响到流量检测的精度。超声波流量计的另一个易出现故障的原因就是内部探头的脏污程度，特别是下游探头，即安装在管道下方的探头由于探头声楔面与介质流向相对，介质碰撞楔面，其上边易结垢锈蚀，甚至被介质中的杂质碰撞。所以下游传感器需要定期清洗，这个可以在线抽出清洗，安装时只要确定好插入深度位置（这个预先在传感器探头外部做好标记即可）并且让声楔面和上游传感器正对即可（在探头外部部分末端设有一个标记点其表示声楔面的方向）。由于超声波探头内部声楔面上的密封材料的限制，其不适应高温高压介质的检测，对于传感器探头浸水高度也有限制，就是保证密封可靠，普通的传感器探头的最高温度应该是50度（高温型可能是150度），压力不超过1.6MPa，浸水高度不超过3m。超声波流量计有三种类型，一种是分体式，传感器和转换器不再一起，通过信号电缆相连，传感器通过焊接底座或者固定的方式插入管道内部检测，主要用在大管道的流量检测中，如循环水系统；一种是一体式，及传感器和转换器安装在一起，通过表体相连，上下游传感器已经安装好，不用在确定其距离和安装，主要用在小管径的流量检测中，如自来水、新鲜水的流量检测计量；还有一种是外夹式，用在非金属管道或者不能焊接的地方，其精度不如插入式准确。

6 工程管理技术

对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户，可以配备一台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况。一是坚持一装一校，即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准；二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。

与其他流量仪表相比，超声波流量计的维护量是比较小的。对于外贴换能器超声波流量计，安装以后无水压损失，无潜在漏水，只需定期检查换能器是否松动，与管道之间的粘合剂是否良好即可；插入式超声波流量计，要定期清理探头上沉积的杂质、水垢等有无漏水现象；如果是一体式超声波流量计，要检查流量计与管道之间的法兰链接是否良好，并考虑现场温度和湿度对其电子部件的影响，定期维护可以确保超声波流量计的长期稳定运行。

7 结束语

目前，超声波流量计的种类很多，应用也很广泛，在流量测量方面发挥着越来越重要的作用，而且其技术更新很快，不断有新型的超声波流量计推向市场，走向用户。只有把握超声波流量计的发展方向，才能更好的了解它，应用它，使它更好的服务于生产和计量工作。

参考文献

[1]朱锐,梁芳.超声热量表换能器安装方式[J].上海计量测试,2013(4).

[2]朱锐,梁芳.提高超声热量表流量测量精度的结构设计[J].科技视界,2013(10).

[3]宛宁,侯春江.时差式超声流量计新测量方法——环鸣法的研究[C].北京电子科技学院学报,2010,(2).

[4]段允,王让定,朱莹等.一种抑制时差法超声流量计静态漂移的方法[J].微电子学与计算机,2010.

[5]朱锐,梁芳.检测水温对超声热能表流量测量的影响分析[J].仪器仪表标准化与计量,2013(3).

[6]刘强,王让定,姚灵等.时差法超声流量计低功耗设计方法的研究[C].宁波大学学报理工版.2012(2).

[7]蔡武昌,刘雏清,纪纲.流量测量方法和仪表的选用[M].北京:化学工业出版社.

作者简介

李定川 （1962-） 男  工学学士 工程师 技术总监 研究方向：自动化仪表与电子工程