超聲波流量計(jì)的應(yīng)用及原理
（2003年大連索尼卡儀表公司服務(wù)部）
一．引言
首先家簡(jiǎn)單介紹一下流量計(jì)的概念
凡是有物質(zhì)流動(dòng)的場(chǎng)合，人們?yōu)檎莆掌鋽?shù)量都需要流量測(cè)量。流量分為瞬時(shí)流量（Flow Rate）和累計(jì)流量（Total Flow）
瞬時(shí)流量（Flow Rate）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)過(guò)封閉管道或明渠有效截面的量。流過(guò)的物質(zhì)可以是氣、液、固體。數(shù)學(xué)公式： ,v為流體的體積,工程上常用的單位m3/h.
累計(jì)流量（Total Flow）：在某一段時(shí)間間隔內(nèi)（可以是一天、一周、一月、一年）流體流過(guò)封閉管道或明渠有效截面的累計(jì)量稱為累計(jì)流量，通過(guò)將瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間積分可求得累計(jì)流量。數(shù)學(xué)公式：
流量計(jì)（Flowmeter）：用以測(cè)量瞬時(shí)流量或累計(jì)流量的器具統(tǒng)稱為流量計(jì)
流量計(jì)廣泛應(yīng)用于能源計(jì)量如水，氣等含能工質(zhì)。流量計(jì)的種類繁多，可大體分為幾大類，約幾百種以上。
（1） 差壓式流量計(jì)：1.皮托管 2.孔板 3.文丘里管。
（2） 轉(zhuǎn)子流量計(jì)
（3） 容積式流量計(jì)：1.橢圓齒輪 2.腰輪 3.刮板 4.旋轉(zhuǎn)活塞
（4） 渦輪流量計(jì)
（5） 電磁流量計(jì) ：大管徑，造價(jià)高。安裝時(shí)需要停水?dāng)喙?br />（6） 渦街流量計(jì)
（7） 超聲波流量計(jì)
（8） 質(zhì)量流量計(jì)
（9） 其它流量計(jì)
上述流量計(jì)優(yōu)、缺點(diǎn)，用途各異。用戶選表總想找到一種理想的流量計(jì)以解決它的流量計(jì)量問(wèn)題，而流量計(jì)制造廠都力圖制造出一種理想流量計(jì)以適應(yīng)更廣泛的需要?？偨Y(jié)千百種流量計(jì)的所有優(yōu)點(diǎn)可以提出理想流量計(jì)的條件如下：
1．檢測(cè)件無(wú)阻礙物；
2．檢測(cè)件可夾裝在管道外部，可隨意移動(dòng)在任何地點(diǎn)測(cè)量而無(wú)須截?cái)喙艿琅c流體；
3．儀表的流量計(jì)算方程簡(jiǎn)單明確，可外推到未知領(lǐng)域而無(wú)須實(shí)流校驗(yàn)；
4．頻率脈沖輸出信號(hào)，數(shù)字式儀表，便于遠(yuǎn)傳抗干擾及與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)；
5．儀表輸出信號(hào)不受流體流動(dòng)特性的影響；
6．儀表復(fù)現(xiàn)性高；
7．儀表范圍度寬，線性好；
8．儀表可靠性高，價(jià)格適宜，維修技術(shù)不復(fù)雜；
9.無(wú)須個(gè)別實(shí)流校驗(yàn)，或只須“干校”，或在一、二種介質(zhì)中校驗(yàn)可推廣到各種介質(zhì)；
10.檢測(cè)件輸出信號(hào)直接反映質(zhì)量流量?！ ?br />可以說(shuō)至今并沒(méi)有出現(xiàn)上述的理想流量計(jì)，所有流量計(jì)都多少具備一些上述條件，只不
過(guò)有的多些，有的少些。所有流量計(jì)制造廠試制新產(chǎn)品都力圖能更多地具備上述條件。
我們今天介紹的超聲波流量計(jì)，目前之所以能被相當(dāng)廣泛的用戶普遍接受是有客觀原因的。主要是它能在更多方面更好地滿足理想流量計(jì)的一些條件。
二．超聲波流量計(jì)的歷史
（1） 1928年德國(guó)人研制成功第一臺(tái)超聲波流量計(jì)，并取得了專利。至今超聲波流量計(jì)以有75年歷史
（2）1955年首先應(yīng)用于馬克森（MAXSON）流量計(jì)測(cè)量航空燃燒油，這是一種基于聲循環(huán)法的兩組探頭（換能器）組成的液體流量計(jì)
（3）1958年A.L.H-ERDRICH等人發(fā)明折射式探頭，由于他們的研究可進(jìn)一步消除由于管壁的交混回響所產(chǎn)生的相位失真，也為管外夾裝提供了理論依據(jù)。
進(jìn)入20世紀(jì)七十年代以后，由于集成電路和鎖相環(huán)路技術(shù)的發(fā)展，使超聲波流量計(jì)得以克服以前的精確度不高，響應(yīng)慢，穩(wěn)定性與可靠性差等致命弱點(diǎn)，使實(shí)用的超聲波流量計(jì)得以發(fā)展。
近20年來(lái)特別是近10年來(lái)，基于高速數(shù)字信號(hào)的處理技術(shù)與微處理技術(shù)的快速發(fā)展，基于新型探頭材料與工藝的研究以及聲道配置與流量動(dòng)力學(xué)的研究，超聲流量測(cè)量技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，顯示了強(qiáng)勁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。2000年在巴西召開(kāi)的國(guó)際流量測(cè)量學(xué)術(shù)會(huì)議（FLOMEK-O‘2000）上共宣讀學(xué)術(shù)論文集103篇，其中直接涉及超聲波流量計(jì)及超聲波技術(shù)的論文20篇，約占論文總數(shù)的1/5。在歷次國(guó)際流量學(xué)術(shù)會(huì)議上，采用超聲波流量計(jì)作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)愈來(lái)愈多，可見(jiàn)超聲波流量計(jì)其潛在的巨大的生命力。
三．超聲波流量計(jì)的分類
（1） 按原理分：
A. 傳播速度差法：
a. 時(shí)差法（目前最常采用此法）b.頻差法（聲環(huán)法）c.相位差法
d. 多普勒法（目前最常采用此法）e.相關(guān)法 f.射束位移 g.渦街法
（2）按探頭（換能器）安裝方式分：
A．外夾式
B．插入式（即濕式）又分為：
a.帶測(cè)量管段的 b.不帶測(cè)量管段，直接在工藝管段上實(shí)現(xiàn)安裝的。
（3）按聲道數(shù)目劃分：
A．單聲道
B．多聲道（2—8聲道）
（４）按性能分；
Ａ．標(biāo)準(zhǔn)型 B．固定式 C．便攜式 D．低溫防水型 E．其他
四．超聲波流量計(jì)的基本原理
1．基本原理
超聲波在流動(dòng)的流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。相對(duì)于固定座標(biāo)系(如管壁)，順流的超聲波的傳播速度將大于逆流的傳播速度。為實(shí)現(xiàn)流量（流速）測(cè)量，首先需要有一個(gè)發(fā)射超聲波的換能器（俗稱超聲波探頭），通常采用石英等材料制成的壓電元件作為換能器。發(fā)射超聲波時(shí)是利用負(fù)壓電效應(yīng)，即利用高頻電脈沖的作用，使壓電晶體高頻振動(dòng)，從而發(fā)出脈沖變化的高頻壓力波（即超聲波）。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由裝在管道對(duì)面的接收換能器接受。接受換能器則利用正壓電效應(yīng)，將高頻壓力波又轉(zhuǎn)換高頻的電脈沖信號(hào)。
可以輪流交替地利用同一個(gè)換能器及發(fā)射高頻、短時(shí)的脈沖壓力波，又用來(lái)接收對(duì)面換能器發(fā)來(lái)的脈沖壓力波?？梢杂靡唤M換能器兼做超聲波的收、發(fā)用。由于人耳聽(tīng)到聲音的上限頻率是20千赫，而此種流量計(jì)所收、發(fā)的壓力波的頻率是0．5—10兆赫（典型頻率是1MHz）,屬于超聲波范疇，超聲波流量計(jì)因此得名。
2．管外夾式時(shí)差式液體超聲波流量計(jì)的工作原理
該類型流量計(jì)利用測(cè)量超聲波在管道中傳播時(shí)間原理而實(shí)現(xiàn)的。介質(zhì)（液體）在管道中流速，與超聲波沿介質(zhì)順流和逆流傳播的時(shí)間差存在著線性關(guān)系。只要分別測(cè)量出超聲波順流、逆流的傳播時(shí)間，就可以依據(jù)線性關(guān)系得到沿管道路徑上各點(diǎn)流速的瞬時(shí)平均流速。這樣，介質(zhì)流量則可以通過(guò)流速、管道截面積以及雷諾數(shù)等得到。
當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí)，流體的流動(dòng)將使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化，并且其傳播時(shí)間的變化正比于液體的流速，由此可求出液體的流速。
3．超聲波流量計(jì)的基本性能
（1） 實(shí)現(xiàn)了非接觸在線測(cè)量(外夾式傳感器)。
（2） 無(wú)阻力無(wú)壓力損失，無(wú)深度插入部件，無(wú)可動(dòng)部件，不影響介質(zhì)流動(dòng)參數(shù)和狀態(tài)。
（3） 安裝位置靈活，直管段要求上游10D，下游5D。
（4） 測(cè)量范圍寬廣，既可測(cè)量小管徑（100mm以下），又可測(cè)量大管徑（最大到6000mm），性價(jià)比高。儀表對(duì)介質(zhì)流速的高靈敏度，使得測(cè)量極慢或快速流動(dòng)介質(zhì)時(shí)，均可滿足精度要求。
（5） 可以不斷流拆裝、維修、在線維修極為方便。
（6） 適用于各種工作環(huán)境，可在高低溫、潮濕、粉塵、振動(dòng)等環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，一次安裝，長(zhǎng)期使用，維修量極少。
以上這些特性是由超聲波流量計(jì)的原理所決定的。
五．FV4018型超聲波流量計(jì)簡(jiǎn)介
FV4018型流量計(jì)是一種通用的時(shí)差型超聲波液體流量計(jì)，適用于工業(yè)環(huán)境下連續(xù)測(cè)量不含大濃度懸浮粒子或氣體的絕大多數(shù)清潔均勻液體的流量。
FV4018系列超聲波流量計(jì)是我公司在前一版FV3018的基礎(chǔ)上吸取了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有同類機(jī)型
的優(yōu)點(diǎn)，并采用了超大規(guī)模集成電路CPLD技術(shù)設(shè)計(jì)制造，精度達(dá)到1級(jí)的時(shí)差式超聲波流量計(jì)。
基本構(gòu)成如下：
1．聲學(xué)系統(tǒng)：由安裝于待測(cè)管道外表面的一對(duì)超聲波探頭（換能器）組成。
2．測(cè)量主機(jī)：主機(jī)與探頭之間由兩根雙屏蔽電纜連接。
測(cè)量主機(jī)可以外接遠(yuǎn)傳裝置、控制器等。
1．FV4018的特點(diǎn)
FV4018型流量計(jì)是基于微處理器技術(shù)，自身完備的流量測(cè)量?jī)x表，與其它常規(guī)型流量計(jì)
或其它超聲波流量計(jì)相比具有下列更多的優(yōu)點(diǎn)。
1.采用超大規(guī)模集成電路CPLD技術(shù)，小型化設(shè)計(jì)，硬件數(shù)目少，表貼工藝，低功耗。高可靠性、高適用性、強(qiáng)抗干擾性設(shè)計(jì)，可用于幾乎全部工業(yè)環(huán)境中。
優(yōu)化的智能信號(hào)自適用處理，使用者無(wú)需任何電路調(diào)整，并加快了流量計(jì)的響應(yīng)時(shí)間，使安裝更容易簡(jiǎn)單。
2.全窗口化的軟件操作，使用方便可靠，并且功能多。
3.可使用公制或英制單位，流量的單位可選用幾乎所有常用的中外通用單位，在帶背光液晶顯示器上顯示流量、流速、累積量及日期時(shí)間等。
4.日、月、年流量累積功能可記錄前64個(gè)運(yùn)行天、前64個(gè)運(yùn)行月、前5個(gè)運(yùn)行年的流量。
5.上、斷電管理功能可記錄前64個(gè)上電、斷電時(shí)間及上斷電時(shí)刻的瞬時(shí)流量，保護(hù)所有數(shù)據(jù)，用戶可以選擇自動(dòng)或手動(dòng)補(bǔ)量，便于累計(jì)數(shù)據(jù)的修正和管理。
6.完備的輸出信號(hào)包括繼電器、集電極開(kāi)路、頻率信號(hào)輸出、4－20mA電流環(huán)
7.模擬輸出等，帶倍乘因子（量程）的機(jī)內(nèi)七位數(shù)長(zhǎng)的正向、負(fù)向、凈流量獨(dú)立工作，并可通過(guò)繼電器或集電極開(kāi)路電路輸出累計(jì)脈沖和頻率輸出信號(hào)。
從前面所講的超聲波流量計(jì)工作原理可知，超聲波流量計(jì)測(cè)量技術(shù)的核心在于超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量，F(xiàn)V4018型流量計(jì)使用了可達(dá)0.1nS超高分辯率、超高線性、超高穩(wěn)定的時(shí)間測(cè)量電路，加上機(jī)內(nèi)使用的32位長(zhǎng)數(shù)字處理程序，保證了FV4018比其它任何類型的流量計(jì)具有更高的分辯率和測(cè)量范圍。
2.性能、參數(shù)見(jiàn)下表：
項(xiàng)目 性 能、參 數(shù)
測(cè)量主機(jī) 測(cè)量原理 時(shí)差原理，雙CPU，測(cè)量周期250mS
顯示、操作 2×20字符背光液晶顯示，4×4輕觸鍵盤(pán)
打印輸出 便攜式：機(jī)內(nèi)配備微型打印機(jī)
輸出 電流信號(hào)：4～20mA或0～20mA，阻抗0～1KΩ浮空，精度0.1%；頻率信號(hào)：12-9999Hz之間任選（OCT輸出）；報(bào)警信號(hào)：繼電器及OCT輸出，近20種源信號(hào)可選；數(shù)據(jù)接口：全功能RS232串行接口
其它功能 記憶日、月、年累積功能；上、斷電時(shí)間及流量管理功能；自動(dòng)或手動(dòng)補(bǔ)加累計(jì)量功能，記憶每天的工作狀態(tài)；故障自診斷功能；遙控網(wǎng)絡(luò)工作方式
測(cè)量精度 優(yōu)于1.0%
流速范圍 0~±30m/s
傳感器 標(biāo)準(zhǔn)型適用于≤3000mm , 插入式適用于≥100mm
電纜長(zhǎng)度 可加長(zhǎng)至200m（超過(guò)此長(zhǎng)度請(qǐng)同廠家聯(lián)系）
管道 管 材 鋼、不銹鋼、鑄鐵、硬質(zhì)塑料等一切質(zhì)地致密管道，允許有薄層襯里
內(nèi) 徑 25mm-6000mm
直管段長(zhǎng)度 上游≥10D，距泵出口處≥30D，下游≥5D
流體 種 類 水、海水、酸堿液、食物油、汽油柴油、酒精、啤酒等能傳播超聲波的均勻液體。
濁 度 ≤10000ppM，且氣泡含量小
溫 度 －10～ +100℃（測(cè)高溫流體請(qǐng)與廠家聯(lián)系）
流 向 可對(duì)正反向流量分別計(jì)量，并可計(jì)量?jī)袅髁?nbsp;
工作環(huán)境 溫 度 主機(jī)：0－50℃；探頭：－30℃～+100℃
濕 度 主機(jī)：85％RH；探頭：98％RH（40℃），可浸水工作，水深≤2m
電 源 固定式：外接交流電源適配器AC220V或直流15～19V 便攜式：機(jī)內(nèi)自動(dòng)充電電池可連續(xù)工作5～6小時(shí)以上.
工作時(shí)間 連續(xù)
體 積 固定式：180×180×65mm；盤(pán)裝式：80×160×250mm ，便攜式：226×240×99 mm
重量 固定式：0.7 Kg；盤(pán)裝式：1.2Kg
六．FV4018型超聲波流量計(jì)的應(yīng)用
典型用途
1．給排水和污水處理
2．油田、石油化工系統(tǒng)
3．發(fā)電廠（熱電、火力、和水利）
4．鋼鐵等工礦企業(yè)
5．食品、醫(yī)藥、造紙行業(yè)
6．供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)平衡
在供水行業(yè)，超聲波流量計(jì)廣泛應(yīng)用于凈水廠的源水、凈水的計(jì)量。近幾年城區(qū)管網(wǎng)的計(jì)量已提到日程，大家知道管網(wǎng)的流量問(wèn)題不像凈水廠那樣簡(jiǎn)單明了，管網(wǎng)的管路復(fù)雜、流速低、且有雙向流、回流等情況。絕大多數(shù)流量計(jì)（如電磁流量計(jì)等）在流速小于0.1m/s都無(wú)法保證正常測(cè)量。而超聲波流量計(jì)由其原理所決定，只要有穩(wěn)定的超聲波信號(hào)，測(cè)量出超聲波的傳播波時(shí)間，就能保證在整個(gè)測(cè)量范圍測(cè)量精度（0—30m/s），所以像許多中心城市(如杭州、常州等)已陸續(xù)上馬管網(wǎng)用超聲波流量計(jì)項(xiàng)目。超聲波流量計(jì)（無(wú)論外夾式，還是插入式）的安裝都可以在不斷管、不停水的條件下進(jìn)行，大大降低了工程造價(jià)，另外，超聲波流量計(jì)無(wú)大小管徑之分，管徑從25mm—6000mm，造價(jià)都是一樣的，性能價(jià)格比高，已經(jīng)成為供排水行業(yè)的首選儀表。
七、FV4018型流量計(jì)安裝規(guī)程
概述
時(shí)差式超聲波流量計(jì)是當(dāng)今世界上具競(jìng)爭(zhēng)力的流量測(cè)量手段，其測(cè)量線精度高于1.0%。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特別是管路周圍環(huán)境的多樣性，因此，怎樣根據(jù)特定的環(huán)境安裝調(diào)試超聲波流量計(jì)，就成了超聲波流量測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，本規(guī)程詳解了超聲波流量計(jì)的安裝細(xì)節(jié)，從而進(jìn)一步完整體現(xiàn)了超聲波流量計(jì)的精度、可靠性和穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，大大降低日后的維護(hù)工作甚至免維護(hù)。
安裝規(guī)程細(xì)解
（一）詳細(xì)了解現(xiàn)場(chǎng)情況
超聲波流量計(jì)在安裝之前應(yīng)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，包括：
1．安裝傳感器處距主機(jī)距離為多少；
2．管道材質(zhì)、管壁厚度及管徑；
3．管道年限；
4．流體類型、是否含有雜質(zhì)、氣泡以及是否滿管；
5．流體溫度；
6．安裝現(xiàn)場(chǎng)是否有干擾源（如變頻、強(qiáng)磁場(chǎng)等）；
7．主機(jī)安放處四季溫度；
8．使用的電源電壓是否穩(wěn)定；
9．是否需要遠(yuǎn)傳信號(hào)及種類；
根據(jù)以上提供的現(xiàn)場(chǎng)情況，廠家可針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行配置，必要情況下也可特制機(jī)型。
（二）選擇安裝位置
選擇安裝管段對(duì)測(cè)試精度影響很大，所選管段應(yīng)避開(kāi)干擾和渦流這兩種對(duì)測(cè)量精度影響較大的情況，一般選擇管段應(yīng)滿足下列條件：
1、避免在水泵、大功率電臺(tái)、變頻，即有強(qiáng)磁場(chǎng)和震動(dòng)干擾處安裝機(jī)器；
2、選擇管材應(yīng)均勻致密，易于超聲波傳輸?shù)墓芏危?br />3、要有足夠長(zhǎng)的直管段，安裝點(diǎn)上游直管段必須要大于10D（注：D=直徑），下游要大于5D；
4、安裝點(diǎn)上游距水泵應(yīng)有30D距離；
5、流體應(yīng)充滿管道；
6、管道周圍要有足夠的空間便于現(xiàn)場(chǎng)人員操作，地下管道需做測(cè)試井，測(cè)試井如下：
（三）確定探頭安裝方式
超聲波流量計(jì)一般有兩種探頭安裝方式，即Z法和V法。通常情況下：
管徑D > 200mm時(shí)選用Z法
管徑D < 200mm時(shí)選用V法
但是,當(dāng)D < 200mm而現(xiàn)場(chǎng)情況為下列條件之一者,也可采用Z法安裝：
1、當(dāng)被測(cè)量流體濁度高，用V法測(cè)量收不到信號(hào)或信號(hào)很弱時(shí)；
2、當(dāng)管道內(nèi)壁有襯里時(shí)；
3、當(dāng)管道使用年限太長(zhǎng)且內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)；
對(duì)于管道條件較好者，即使D稍大于200mm，為了提高測(cè)量精度，也可采用V法安裝。
（四）求得安裝距離，確定探頭位置
1、將管道參數(shù)輸入儀表，選擇探頭安裝方式，得出安裝距離；
2、在水平管道上，一般應(yīng)選擇管道的中部，避開(kāi)頂部和底部（頂部可能含有氣泡、底部可能有沉淀）；
3、V法安裝：先確定一個(gè)點(diǎn)，按安裝距離在水平位置量出另一個(gè)點(diǎn)。
Z法安裝：先確定一個(gè)點(diǎn)，按安裝距離在水平位置量出另一個(gè)點(diǎn)，然后測(cè)出此點(diǎn)在管道另一側(cè)的對(duì)稱點(diǎn)。
（五）管道表面處理
確定探頭位置之后，在兩安裝點(diǎn)±100mm范圍內(nèi)，使用角磨砂輪機(jī)、銼、砂紙等工具將管道打磨至光亮平滑無(wú)蝕坑。
要求：光澤均勻，無(wú)起伏不平，手感光滑圓潤(rùn)。需要特別注意，打磨點(diǎn)要求與原管道有同樣的弧度，切忌將安裝點(diǎn)打磨成平面，用酒精或汽油等將此范圍擦凈，以利于探頭粘接。
（六）探頭與儀表接線
（七）微調(diào)探頭位置
接完線后把探頭內(nèi)部用硅膠注滿，放置半小時(shí)，然后用硅膠和卡具把探頭固定到打磨好的管道上（注意探頭方向，引線端向外），然后觀察儀表的信號(hào)強(qiáng)度、良度與傳輸時(shí)間比，如發(fā)現(xiàn)不好，則細(xì)微調(diào)整探頭位置，直到儀表的信號(hào)達(dá)到規(guī)定的范圍之內(nèi)：
（信號(hào)強(qiáng)度：一般應(yīng)大于6.5，少數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況另定。）
（信號(hào)良度：低峰值一般為7～14，高峰值一般為25～80。）
（傳輸時(shí)間比：在100±4范圍之內(nèi)，此值必須穩(wěn)定。）
（八）固定探頭
儀表信號(hào)調(diào)整好以后，用所配卡具將探頭固定好，注意不要使鋼絲繩傾斜，以免拉動(dòng)探頭，使探頭移位，再用硅膠將探頭與管道接觸的四周封住。此膠凝固大約需一天時(shí)間，在未干之前必須注意探頭防水。（信號(hào)線的外屏蔽線必須可靠接地）
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