超声波流量计的应用及原理
（2003年大连索尼卡仪表公司服务部）
一．引言
首先家简单介绍一下流量计的概念
凡是有物质流动的场合，人们为掌握其数量都需要流量测量。流量分为瞬时流量（Flow Rate）和累计流量（Total Flow）
瞬时流量（Flow Rate）：单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量。流过的物质可以是气、液、固体。数学公式： ,v为流体的体积,工程上常用的单位m3/h.
累计流量（Total Flow）：在某一段时间间隔内（可以是一天、一周、一月、一年）流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量称为累计流量，通过将瞬时流量对时间积分可求得累计流量。数学公式：
流量计（Flowmeter）：用以测量瞬时流量或累计流量的器具统称为流量计
流量计广泛应用于能源计量如水，气等含能工质。流量计的种类繁多，可大体分为几大类，约几百种以上。
（1） 差压式流量计：1.皮托管 2.孔板 3.文丘里管。
（2） 转子流量计
（3） 容积式流量计：1.椭圆齿轮 2.腰轮 3.刮板 4.旋转活塞
（4） 涡轮流量计
（5） 电磁流量计 ：大管径，造价高。安装时需要停水断管
（6） 涡街流量计
（7） 超声波流量计
（8） 质量流量计
（9） 其它流量计
上述流量计优、缺点，用途各异。用户选表总想找到一种理想的流量计以解决它的流量计量问题，而流量计制造厂都力图制造出一种理想流量计以适应更广泛的需要。总结千百种流量计的所有优点可以提出理想流量计的条件如下：
1．检测件无阻碍物；
2．检测件可夹装在管道外部，可随意移动在任何地点测量而无须截断管道与流体；
3．仪表的流量计算方程简单明确，可外推到未知领域而无须实流校验；
4．频率脉冲输出信号，数字式仪表，便于远传抗干扰及与计算机联网；
5．仪表输出信号不受流体流动特性的影响；
6．仪表复现性高；
7．仪表范围度宽，线性好；
8．仪表可靠性高，价格适宜，维修技术不复杂；
9.无须个别实流校验，或只须“干校”，或在一、二种介质中校验可推广到各种介质；
10.检测件输出信号直接反映质量流量。
可以说至今并没有出现上述的理想流量计，所有流量计都多少具备一些上述条件，只不
过有的多些，有的少些。所有流量计制造厂试制新产品都力图能更多地具备上述条件。
我们今天介绍的超声波流量计，目前之所以能被相当广泛的用户普遍接受是有客观原因的。主要是它能在更多方面更好地满足理想流量计的一些条件。
二．超声波流量计的历史
（1） 1928年德国人研制成功第一台超声波流量计，并取得了专利。至今超声波流量计以有75年历史
（2）1955年首先应用于马克森（MAXSON）流量计测量航空燃烧油，这是一种基于声循环法的两组探头（换能器）组成的液体流量计
（3）1958年A.L.H-ERDRICH等人发明折射式探头，由于他们的研究可进一步消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真，也为管外夹装提供了理论依据。
进入20世纪七十年代以后，由于集成电路和锁相环路技术的发展，使超声波流量计得以克服以前的精确度不高，响应慢，稳定性与可靠性差等致命弱点，使实用的超声波流量计得以发展。
近20年来特别是近10年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理技术的快速发展，基于新型探头材料与工艺的研究以及声道配置与流量动力学的研究，超声流量测量技术取得了长足进展，显示了强劲的技术优势，发展势头迅猛。2000年在巴西召开的国际流量测量学术会议（FLOMEK-O‘2000）上共宣读学术论文集103篇，其中直接涉及超声波流量计及超声波技术的论文20篇，约占论文总数的1/5。在历次国际流量学术会议上，采用超声波流量计作为传递标准的文献愈来愈多，可见超声波流量计其潜在的巨大的生命力。
三．超声波流量计的分类
（1） 按原理分：
A. 传播速度差法：
a. 时差法（目前最常采用此法）b.频差法（声环法）c.相位差法
d. 多普勒法（目前最常采用此法）e.相关法 f.射束位移 g.涡街法
（2）按探头（换能器）安装方式分：
A．外夹式
B．插入式（即湿式）又分为：
a.带测量管段的 b.不带测量管段，直接在工艺管段上实现安装的。
（3）按声道数目划分：
A．单声道
B．多声道（2—8声道）
（４）按性能分；
Ａ．标准型 B．固定式 C．便携式 D．低温防水型 E．其他
四．超声波流量计的基本原理
1．基本原理
超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。相对于固定座标系(如管壁)，顺流的超声波的传播速度将大于逆流的传播速度。为实现流量（流速）测量，首先需要有一个发射超声波的换能器（俗称超声波探头），通常采用石英等材料制成的压电元件作为换能器。发射超声波时是利用负压电效应，即利用高频电脉冲的作用，使压电晶体高频振动，从而发出脉冲变化的高频压力波（即超声波）。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由装在管道对面的接收换能器接受。接受换能器则利用正压电效应，将高频压力波又转换高频的电脉冲信号。
可以轮流交替地利用同一个换能器及发射高频、短时的脉冲压力波，又用来接收对面换能器发来的脉冲压力波。可以用一组换能器兼做超声波的收、发用。由于人耳听到声音的上限频率是20千赫，而此种流量计所收、发的压力波的频率是0．5—10兆赫（典型频率是1MHz）,属于超声波范畴，超声波流量计因此得名。
2．管外夹式时差式液体超声波流量计的工作原理
该类型流量计利用测量超声波在管道中传播时间原理而实现的。介质（液体）在管道中流速，与超声波沿介质顺流和逆流传播的时间差存在着线性关系。只要分别测量出超声波顺流、逆流的传播时间，就可以依据线性关系得到沿管道路径上各点流速的瞬时平均流速。这样，介质流量则可以通过流速、管道截面积以及雷诺数等得到。
当超声波束在液体中传播时，流体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，由此可求出液体的流速。
3．超声波流量计的基本性能
（1） 实现了非接触在线测量(外夹式传感器)。
（2） 无阻力无压力损失，无深度插入部件，无可动部件，不影响介质流动参数和状态。
（3） 安装位置灵活，直管段要求上游10D，下游5D。
（4） 测量范围宽广，既可测量小管径（100mm以下），又可测量大管径（最大到6000mm），性价比高。仪表对介质流速的高灵敏度，使得测量极慢或快速流动介质时，均可满足精度要求。
（5） 可以不断流拆装、维修、在线维修极为方便。
（6） 适用于各种工作环境，可在高低温、潮湿、粉尘、振动等环境下长期稳定地工作，一次安装，长期使用，维修量极少。
以上这些特性是由超声波流量计的原理所决定的。
五．FV4018型超声波流量计简介
FV4018型流量计是一种通用的时差型超声波液体流量计，适用于工业环境下连续测量不含大浓度悬浮粒子或气体的绝大多数清洁均匀液体的流量。
FV4018系列超声波流量计是我公司在前一版FV3018的基础上吸取了国内外现有同类机型
的优点，并采用了超大规模集成电路CPLD技术设计制造，精度达到1级的时差式超声波流量计。
基本构成如下：
1．声学系统：由安装于待测管道外表面的一对超声波探头（换能器）组成。
2．测量主机：主机与探头之间由两根双屏蔽电缆连接。
测量主机可以外接远传装置、控制器等。
1．FV4018的特点
FV4018型流量计是基于微处理器技术，自身完备的流量测量仪表，与其它常规型流量计
或其它超声波流量计相比具有下列更多的优点。
1.采用超大规模集成电路CPLD技术，小型化设计，硬件数目少，表贴工艺，低功耗。高可靠性、高适用性、强抗干扰性设计，可用于几乎全部工业环境中。
优化的智能信号自适用处理，使用者无需任何电路调整，并加快了流量计的响应时间，使安装更容易简单。
2.全窗口化的软件操作，使用方便可靠，并且功能多。
3.可使用公制或英制单位，流量的单位可选用几乎所有常用的中外通用单位，在带背光液晶显示器上显示流量、流速、累积量及日期时间等。
4.日、月、年流量累积功能可记录前64个运行天、前64个运行月、前5个运行年的流量。
5.上、断电管理功能可记录前64个上电、断电时间及上断电时刻的瞬时流量，保护所有数据，用户可以选择自动或手动补量，便于累计数据的修正和管理。
6.完备的输出信号包括继电器、集电极开路、频率信号输出、4－20mA电流环
7.模拟输出等，带倍乘因子（量程）的机内七位数长的正向、负向、净流量独立工作，并可通过继电器或集电极开路电路输出累计脉冲和频率输出信号。
从前面所讲的超声波流量计工作原理可知，超声波流量计测量技术的核心在于超声波传播时间的测量，FV4018型流量计使用了可达0.1nS超高分辩率、超高线性、超高稳定的时间测量电路，加上机内使用的32位长数字处理程序，保证了FV4018比其它任何类型的流量计具有更高的分辩率和测量范围。
2.性能、参数见下表：
项目 性 能、参 数
测量主机 测量原理 时差原理，双CPU，测量周期250mS
显示、操作 2×20字符背光液晶显示，4×4轻触键盘
打印输出 便携式：机内配备微型打印机
输出 电流信号：4～20mA或0～20mA，阻抗0～1KΩ浮空，精度0.1%；频率信号：12-9999Hz之间任选（OCT输出）；报警信号：继电器及OCT输出，近20种源信号可选；数据接口：全功能RS232串行接口
其它功能 记忆日、月、年累积功能；上、断电时间及流量管理功能；自动或手动补加累计量功能，记忆每天的工作状态；故障自诊断功能；遥控网络工作方式
测量精度 优于1.0%
流速范围 0~±30m/s
传感器 标准型适用于≤3000mm , 插入式适用于≥100mm
电缆长度 可加长至200m（超过此长度请同厂家联系）
管道 管 材 钢、不锈钢、铸铁、硬质塑料等一切质地致密管道，允许有薄层衬里
内 径 25mm-6000mm
直管段长度 上游≥10D，距泵出口处≥30D，下游≥5D
流体 种 类 水、海水、酸碱液、食物油、汽油柴油、酒精、啤酒等能传播超声波的均匀液体。
浊 度 ≤10000ppM，且气泡含量小
温 度 －10～ +100℃（测高温流体请与厂家联系）
流 向 可对正反向流量分别计量，并可计量净流量
工作环境 温 度 主机：0－50℃；探头：－30℃～+100℃
湿 度 主机：85％RH；探头：98％RH（40℃），可浸水工作，水深≤2m
电 源 固定式：外接交流电源适配器AC220V或直流15～19V 便携式：机内自动充电电池可连续工作5～6小时以上.
工作时间 连续
体 积 固定式：180×180×65mm；盘装式：80×160×250mm ，便携式：226×240×99 mm
重量 固定式：0.7 Kg；盘装式：1.2Kg
六．FV4018型超声波流量计的应用
典型用途
1．给排水和污水处理
2．油田、石油化工系统
3．发电厂（热电、火力、和水利）
4．钢铁等工矿企业
5．食品、医药、造纸行业
6．供热系统的热网平衡
在供水行业，超声波流量计广泛应用于净水厂的源水、净水的计量。近几年城区管网的计量已提到日程，大家知道管网的流量问题不像净水厂那样简单明了，管网的管路复杂、流速低、且有双向流、回流等情况。绝大多数流量计（如电磁流量计等）在流速小于0.1m/s都无法保证正常测量。而超声波流量计由其原理所决定，只要有稳定的超声波信号，测量出超声波的传播波时间，就能保证在整个测量范围测量精度（0—30m/s），所以像许多中心城市(如杭州、常州等)已陆续上马管网用超声波流量计项目。超声波流量计（无论外夹式，还是插入式）的安装都可以在不断管、不停水的条件下进行，大大降低了工程造价，另外，超声波流量计无大小管径之分，管径从25mm—6000mm，造价都是一样的，性能价格比高，已经成为供排水行业的首选仪表。
七、FV4018型流量计安装规程
概述
时差式超声波流量计是当今世界上具竞争力的流量测量手段，其测量线精度高于1.0%。由于工业现场特别是管路周围环境的多样性，因此，怎样根据特定的环境安装调试超声波流量计，就成了超声波流量测量领域的一个重要课题，本规程详解了超声波流量计的安装细节，从而进一步完整体现了超声波流量计的精度、可靠性和稳定性的优势，大大降低日后的维护工作甚至免维护。
安装规程细解
（一）详细了解现场情况
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。
（二）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，地下管道需做测试井，测试井如下：
（三）确定探头安装方式
超声波流量计一般有两种探头安装方式，即Z法和V法。通常情况下：
管径D > 200mm时选用Z法
管径D < 200mm时选用V法
但是,当D < 200mm而现场情况为下列条件之一者,也可采用Z法安装：
1、当被测量流体浊度高，用V法测量收不到信号或信号很弱时；
2、当管道内壁有衬里时；
3、当管道使用年限太长且内壁结垢严重时；
对于管道条件较好者，即使D稍大于200mm，为了提高测量精度，也可采用V法安装。
（四）求得安装距离，确定探头位置
1、将管道参数输入仪表，选择探头安装方式，得出安装距离；
2、在水平管道上，一般应选择管道的中部，避开顶部和底部（顶部可能含有气泡、底部可能有沉淀）；
3、V法安装：先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点。
Z法安装：先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点，然后测出此点在管道另一侧的对称点。
（五）管道表面处理
确定探头位置之后，在两安装点±100mm范围内，使用角磨砂轮机、锉、砂纸等工具将管道打磨至光亮平滑无蚀坑。
要求：光泽均匀，无起伏不平，手感光滑圆润。需要特别注意，打磨点要求与原管道有同样的弧度，切忌将安装点打磨成平面，用酒精或汽油等将此范围擦净，以利于探头粘接。
（六）探头与仪表接线
（七）微调探头位置
接完线后把探头内部用硅胶注满，放置半小时，然后用硅胶和卡具把探头固定到打磨好的管道上（注意探头方向，引线端向外），然后观察仪表的信号强度、良度与传输时间比，如发现不好，则细微调整探头位置，直到仪表的信号达到规定的范围之内：
（信号强度：一般应大于6.5，少数可根据现场具体情况另定。）
（信号良度：低峰值一般为7～14，高峰值一般为25～80。）
（传输时间比：在100±4范围之内，此值必须稳定。）
（八）固定探头
仪表信号调整好以后，用所配卡具将探头固定好，注意不要使钢丝绳倾斜，以免拉动探头，使探头移位，再用硅胶将探头与管道接触的四周封住。此胶凝固大约需一天时间，在未干之前必须注意探头防水。（信号线的外屏蔽线必须可靠接地）
>>以上文章：超声波流量计的应用
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