超声波流量计的介绍及应用

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

流量是化工控制领域中最常用到的参数之-，依据各种原理设计制造的流量计也成为了化工领域中最常用的仪表。化工领域常见的流量计有：差压流量计(孔板、喷嘴、文丘里管等)、转子流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计等。随着工业自动化技术和电子技术的发展，化工仪表的发展也是日新月异，各种新技术被引人到仪表设计、制作中来。作为技术人员，在工程施工中时常会遇到新型仪表，其安装方法和调试过程均有别于以往的仪表，要实现快速准确地对新型仪表进行安装和调试，使仪表能够达到正常工作状态，我们就必须对仪表的测量原理、系统组成和安装步骤作全面的了解和掌握。下面介绍某大型化工项目中遇到的-种超声波流量计的安装方法，该超声波流量计为绑定式，用于 DN600循环水主管的流量测量。

1 超声波流量计测量原理通过与仪表厂家的沟通，我们了解到超声波流量计测量系统是基于时差法原理进行测量的，其工作原理如图 1所示。时差法原理测量流量是利用-对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的-种间接测量方法。传感器既是声波信号发生器，也是声波信号接收器，测量时顺流方向上声波的传播速度高于逆流方向上声波的传播速度，因此，会产生声波信号运行时间差，该时间差与流体的流速成正比。

换能器B图 1 时差法测量原理图顺流换能器A和逆流换能器 B分别安装在流体管线两侧并相距-定距离，管线的内径为D，超声波传播的路径长度为 ，超声波顺流传播时间为t -，逆流传播时间为t ，超声波传播方向与流体流动方向的夹角为 0。由于流体流动的原因，超声波顺流传播长度 所用的时间比逆流传播同样长度所用的时间短，其时间可用下式表示：， Ldownup其中，C是超声波在非流动介质中的声速，是流体介质的流动速度。

t 。和 曲 之间的差 为：I Tup-tdown -C - p-COS0--c.-cos0罾I.呈- 兰毒2013年第3期 川 化 35在化工生产中，流体的流速是远小于超声波在介质中的传播速度的，即㈠ 0《l式(1)中Lcos0Dcot0，这是 2个换能器在管线方向上的间距，因而式(1)可以简化为：2vDcot0 At≈z- - --- -C。

也就是说流体的流速为：2丽 At (2)由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。

瞬间流量 Q瞬可以表示为：孚·对瞬时流量在-定时间内连续积分可得累计流量为 ：Q 础 (3)从式(3)可以看到，流量撒于管道内径、换能器之间的距离和超声波在介质中的传播速度。

2 系统组成该流量计是-种绑定式超声波流量计，由 1台变送器、2个超声波传感器(由换能器、接收器、接口等部件集成的整体)、专用电缆和传感器安装支座组成，还包括定位专用工具等安装附件。

超声波传感器的核心为压电换能器，集成了发射和接收超声波的功能。它利用压电材料的压电效应，采用适当的发射电路，把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振动，超声波以某-角度射人流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电信号，以便检测。电信号通过专用电缆传人变送器，变送器对电信号进行处理和计算后在显示面板上以数字或模拟量显示，同时将数据转换为 4～20 mA的信号输出至控制室。

3 超声波流量计安装的位置选择及安装步骤3.1 安装位置的选择(1)传感器的安装位置应满足测量管道始终为满管状态，这是流量计测量是否准确的前提，如果管中出现气体积聚或有气泡形成，会增大测量误差。

(2)应旧能将传感器安装在向上的管道上，或者是处于整个管道走向低点的水平管道上，不能选择容易积聚气泡的管道最高处，更不能直接安装在向下排空的管道上；传感器在垂直管道上安装时，选择流体 自下而上流动的管道。当流速为 0时，流体中夹杂的固体杂质下沉，气体上升，杂质就远离了传感器，这就避免了杂质在传感器处的堆积而影响流量的测量。在水平管道上安装时，尽量选择管道侧面的水平位置安装，以避免管道上部的气体积聚和底部的沉积物对流量测量产生的影响。

(3)要测得准确的流量，必须要有稳定的流速。为了旧能地提高测量精度，传感器最好安装在流速稳定的管段上，避开阀门、三通、弯头等管件，必须保证安装位置在上游不低于管道公称直径的15倍、下游不低于管道公称直径的5倍的直管段处。安装位置还应该远离强磁惩震动的干扰，如机泵、变频柜等。

3.2 安装步骤(1)将变送器用安装背板安装在2”仪表桩上，并用膨胀螺栓固定在所选管道方便操作的-侧，旧能靠近传感器的位置。

(2)流量计的安装如图2所示。先将张力箍穿过传感器安装卡座，固定在管道上，再安装第2个张力箍，使用专用工具调整位置，使其可动；然后将2根连接线分别以正、反时针方向穿在传感器安装卡座的安装螺栓上；将第2个安装卡座向外移动，使 2根长度相同的连接线同时绷紧，这样就能对第 2个传感器进行定位；最后锁紧第 2个张力箍。连接线的长度可以在调试过程中获得。

(3)取下安装卡座，使用手砂轮对传感器正对管道的位置进行打磨，使其表面光滑并保持与管道相同的弧度，然后重新安装传感器卡座并固定；安装完后，将耦合剂涂抹在传感器接触的表面上 ，插入安装卡座并锁紧。

(4)使用专用电缆将传感器与变送器进行连接，注意专用电缆不能过于弯折，应将多余的电缆盘成-捆，充分释放应力，并用扎带固定在仪表桩E川 化 2013年第3期图2 超声波流量计安装示意图3.3 调 试该台流量计的人机界面十分友好，在启动后对传感器进行快速设定，根据提示的先后顺序选择传感器类型、传感器行程，再选择管道的材料、直径、壁厚及液体的声速、温度等数据，仪表就可以自动计算并显示出连接线的长度以及2台传感器的距离。按照显示结果对传感器进行调整之后，就完成了超声波流量计基本的安装调试。

4 超声波流量计的优、缺点本文介绍的流量计是基于时差法原理的绑定式超声波流量计，如果超声波发射器发射连续超声脉冲或周期较长的脉冲列，则在顺流和逆流发射时所接收到的信号之间要产生相位差，用相位差来代替微小的时差有助于提高流量测量的精度，这就是相差法原理。而采用频率法原理的超声波流量计则是通过测量上、下游传感器接收到的超声波的频率之差来计算流速，计算结果仅与传感器的相对位置、超声波的频率之差有关，消除了超声波在静止流体中的声速的影响。

4.1 优 点绑定式超声波流量计是-种非接触式仪表，不需要接触工艺介质，也不需要根据管道大小制造-段管段，因而在大管径条件下，其与电磁流量计相比有很大的成本优势。它通过超声波在介质内传播来测量流体的流速，测量准确度很高，几乎不受被测介质各种参数的干扰，可以测量液体和气体的流量，尤其是具有强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质。它测量的范围很宽，流量和管径越大，精确度越高，既可以测量大管径介质的流量，又可以用于不易接触和观察的介质的测量，相对于孔板、喷嘴等节流原件，它对流体不会造成压力、流速的损失。与转子流量计、质量流量计相比，它没有直接与介质接触的元件，仪表的安装及检修均对生产管线的运行不造成影响。因此，超声波流量计是-种理想的流量计，具有高精确度和低总体拥有成本的优点。

4.2 缺 点超声波流量计是基于集成电路、单片机和自动控制技术的高集成、多功能仪表，先进的控制理论和成熟的电路设计为流量计多种功能的实现奠定了基础，如果要提高流量的测量精度，必须进-步完善测量线路的设计，提高对声速的测量。超声波流量计高度集成的电路设计势必会提高设计制造的成本与难度，而-旦发生故障，维修难度也相应增加。另外，受超声波换能铝及传感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原始数据不全因素的影响，目前还难以将超声波流量计应用在高温介质的流量测量上。

5 结束语不断发展的电子信息技术推动着仪表行业向着更高的水平发展，众多的新技术促进了仪器、仪表的更新换代。对于自控专业的技术人员来说，难免会在日常工作中遇到新型仪器、仪表，除了要严格按照仪器、仪表的说明书、安装手册等随机资料的要求进行安装调试外，更重要的是理解仪器仪表的测量原理和系统构成，将理论知识与现场实际相结合，才能更好地服务于现场仪表的安装，进而不断提高自身的业务水平。