外夾式或者管段式超聲波流量儀表是以"速度差法"為原理，測量圓管內(nèi)液體流量的儀表。它采用了*的多脈沖技術(shù)、信號數(shù)字化處理技術(shù)及糾錯技術(shù)，使流量儀表更能適應工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境，計量更方便、經(jīng)濟、準確。產(chǎn)品可廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、給排水等領(lǐng)域。

介紹

定義

超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表。

原理

根據(jù)對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。

超聲流量計和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬*流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點，它是發(fā)展迅速的一類流量計之一。

優(yōu)缺點

優(yōu)點

超聲波流量計是一種非接觸式儀表，它既可以測量大管徑的介質(zhì)流量也可以用于不易接觸和觀察的介質(zhì)的測量。它的測量準確度很高，幾乎不受被測介質(zhì)的各種參數(shù)的干擾，尤其可以解決其它儀表不能的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。

缺點

現(xiàn)今所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復雜。這是因為，一般工業(yè)計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m/s左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量大也是10-3數(shù)量級.若要求測量流速的準確度為1%，則對聲速的測量準確度需為10-5~10-6數(shù)量級，因此必須有完善的測量線路才能實現(xiàn)，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實際應用的原因。

超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。

超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件放入聲楔中，構(gòu)成換能器整體(又稱探頭)。聲楔的材料不僅要求強度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機玻璃，因為它透明，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。

特點功能

特點

◆*的信號數(shù)字化處理技術(shù)，使儀表測量信號更穩(wěn)定、抗*力強、計量更準確。

◆無機械傳動部件不容易損壞，免維護，壽命長。

◆電路更優(yōu)化、集成度高;功耗低、可靠性高。

◆智能化標準信號輸出，人機界面友好、多種二次信號輸出，供您任意選擇。

◆管段式小管徑測量經(jīng)濟又方便，測量精度高。

超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振動。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔埽员銠z測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應，而接收換能器則是利用壓電效應。

應用

概況

傳播時間法應用于清潔、單相液體和氣體。典型應用有工廠排放液、:怪液、液化天然氣等;

氣體應用方面在高壓天然氣領(lǐng)域已有使用良好的經(jīng)驗;

環(huán)境

多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體,例如:未處理污水、工廠排放液、臟流程液;通常不適用于非常清潔的液體。

注意事項

超聲波流量計正確選型才能保證超聲波流量計更好的使用。選用什么種類的超聲波流量計應根據(jù)被測流體介質(zhì)的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)來決定，使超聲波流量計的通徑、流量范圍、襯里材料、電極材料和輸出電流等都能適應被測流體的性質(zhì)和流量測量的要求。

原理

超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計。超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應用的一種

非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯(lián)動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。

*，工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這個缺點，超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越*。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。

另外，*表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量。

分類

●插入式超聲流量計:可不停產(chǎn)安裝和維護。采用陶瓷傳感器，使用鉆孔裝置進行不停產(chǎn)安裝。一般為單聲道測量，為了提高測量準確度，可選擇三聲道。

●管段式超聲流量計:需切開管路安裝，可選擇單聲道或三聲道傳感器。

●外夾式超聲流量計:能夠完成固定和移動測量。采用耦合劑(室溫固化的硅橡膠或高溫長鏈聚合油脂)安裝，安裝時不損壞管路。

●便攜式超聲流量計:便攜使用，內(nèi)置可充電鋰電池，適合移動測量，配接磁性傳感器。

1、非接觸式測量方式、體積小、攜帶方便

2、適用于現(xiàn)場測量各種尺寸管道導聲介質(zhì)

3、內(nèi)置鎳氫充電電池工作時間達20小時以上

4、用戶界面靈活，使用簡單

5、智能型現(xiàn)場打印功能，保證流量數(shù)據(jù)的完整

6、配備一體式鋁合金防護箱，可在野外惡劣環(huán)境中使用

● 手持式超聲流量計:體積小，重量輕，內(nèi)置可充電鋰電池，手持使用，配接磁性傳感器。

● 防爆型超聲流量計:用于爆炸性環(huán)境液體流量測量，為防爆兼本安型。即轉(zhuǎn)換器為防爆型，傳感器為本質(zhì)安全型。

安裝介紹

時差式超聲波流量計是當今世界上具競爭力的流量測量手段，其測量線精度高于1.0%。由于工業(yè)現(xiàn)場特別是管路周圍環(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，就成了超聲波流量測量領(lǐng)域的一個重要課題，本規(guī)程詳解了超聲波流量計的安裝細節(jié);從而進一步完整體現(xiàn)了超聲波流量計的精度、可靠性和穩(wěn)定性的優(yōu)勢，大大降低日后的維護工作甚至免維護。

安裝細解

超聲波流量計在安裝之前應了解現(xiàn)場情況，包括:

1.安裝傳感器處距主機距離為多少;

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)場是否有干擾源(如變頻、強磁場等);

7.主機安放處四季溫度;

8.使用的電源電壓是否穩(wěn)定;

9.是否需要遠傳信號及種類;

根據(jù)以上提供的現(xiàn)場情況，廠家可針對現(xiàn)場情況進行配置，必要情況下也可特制機型。

安裝位置

選擇安裝管段對測試精度影響很大，所選管段應避開干擾和渦流這兩種對測量精度影響較大的情況，一般選擇管段應滿足下列條件:

1、避免在水泵、大功率電臺、變頻，即有強磁場和震動干擾處安裝機器;

2、選擇管材應均勻致密，易于超聲波傳輸?shù)墓芏?

3、要有足夠長的直管段，安裝點上游直管段必須要大于10D(注:D=直徑)，下游要大于5D;

4、安裝點上游距水泵應有30D距離;

5、流體應充滿管道;

6、管道周圍要有足夠的空間便于現(xiàn)場人員操作，地下管道需做測試井，測試井如下:

安裝方式

超聲波流量計一般有兩種探頭安裝方式，即Z法和V法。

但是,當D < 200mm而現(xiàn)場情況為下列條件之一者,也可采用Z法安裝:

1、當被測量流體濁度高，用V法測量收不到信號或信號很弱時;

2、當管道內(nèi)壁有襯里時;

3、當管道使用年限太長且內(nèi)壁結(jié)垢嚴重時;

對于管道條件較好者，即使D稍大于200mm，為了提高測量精度，也可采用V法安裝。

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，一般應選擇管道的中部，避開頂部和底部(頂部可能含有氣泡、底部可能有沉淀);

3、V法安裝:先確定一個點，按安裝距離在水平位置量出另一個點。

Z法安裝:先確定一個點，按安裝距離在水平位置量出另一個點，然后測出此點在管道另一側(cè)的對稱點。

管道處理

確定探頭位置之后，在兩安裝點±100mm范圍內(nèi)，使用角磨砂輪機、銼、砂紙等工具將管道打磨至光亮平滑無蝕坑。

要求:光澤均勻，無起伏不平，手感光滑圓潤。需要特別注意，打磨點要求與原管道有同樣的弧度，切忌將安裝點打磨成平面，用酒精或汽油等將此范圍擦凈，以利于探頭粘接。

接線

微調(diào)探頭

接完線后把探頭內(nèi)部用硅膠注滿，放置半小時，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強度、良度與傳輸時間比，如發(fā)現(xiàn)不好，則細微調(diào)整探頭位置，直到儀表的信號達到規(guī)定的范圍之內(nèi):

(信號強度:一般應大于6.5，少數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場具體情況另定。)

(信號良度:低峰值一般為7~14，高峰值一般為25~80。)

(傳輸時間比:在100±4范圍之內(nèi)，此值必須穩(wěn)定。)

關(guān)于使用超聲波流量計的幾點體會

流量計有對角和反射兩種模式，當反射模式測不出時用對角模式可能能測出，以至于后來我們一直用反射模式。

流量計對管道要求比較高，保溫層一定要刮掉一部分，否則無法測量。我們測空調(diào)水系統(tǒng)時用刀把保溫層割下一塊以防止傳感器，測完后再把割下的保溫層粘上。管道表面盡量光亮，太粗燥的話還得用砂紙打磨。

當管道內(nèi)流體為非滿管流時很難測出，所以測量位置應盡量選直管段，遠離彎頭、閥門等地方。

流量計讀數(shù)的真實性是依賴于信號強度的，信號太低時結(jié)果基本不可信，一般要60%以上甚至更到。

由于讀數(shù)可能會變化很大，我們采取的做法是讓流量計連續(xù)讀數(shù)，比如連續(xù)記錄一分鐘的讀數(shù)，然后取平均值。

測量熱水管路比冷水管路難。因為熱水管壁面溫度高，耦合劑在高溫時容易化。除了產(chǎn)品自帶耦合劑外，我們都嘗試過牙膏。

總結(jié)超聲波流量計在測量準確度和精度還有待提高

便攜式超聲波流量計的技術(shù)參數(shù)如下:測量原理:時差相關(guān)原理流速: 0.01~25 m/s分辨率: 0.025 cm/s重復性: 0.15%讀數(shù)，視應用而定精度:(流場充分發(fā)展且 徑向?qū)ΨQ)體積流量: ± 1%讀數(shù)，視應用而定 ± 0.5%讀數(shù)，經(jīng)過標定流速: ± 0.5%讀數(shù)，視應用而定可測介質(zhì): 所有導聲流體, 且氣泡或固體顆粒的體積含量<10%

便攜式超聲波流量計主機外殼重量: ~ 3.9kg防護等級: IP54 (根據(jù)EN60529)材質(zhì):鋁合金，粉末涂層尺寸: (270 x 100 x 180)mm (WxHx D)(不含把手)通道: 2危險區(qū): Zone 2電源: 充電電池(6V/4Ah); 外接電源(100 ~ 240)VAC電池工作時間: >10h顯示: 2 x 16 字符, 點陣, 帶背光工作溫度: -10 ~ 60℃功耗: < 15W信號平均: (0 ~ 100)s, 可調(diào)測量速率: (100 ~ 1000)Hz (1通道)響應時間: 1s (1通道), 70ms可選.

固定探頭

儀表信號調(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間，在未干之前必須注意探頭防水。(信號線的外屏蔽線必須可靠接地)。

超聲波流量計主要技術(shù)指標:

安裝超聲波流量計可按照以下步驟操作:

一:觀察安裝現(xiàn)場管道是否滿足直管段*D后5D以及離泵30D的距離。(D為管道內(nèi)直徑)

二:確認管道內(nèi)流體介質(zhì)以及是否滿管。

三:確認管道材質(zhì)以及壁厚(充分考慮到管道內(nèi)壁結(jié)垢厚度)

四:確認管道使用年限，在使用10左右的管道，即使是碳鋼材質(zhì)，##也采用插入式安裝。

五:前四步驟完成后可確認使用何種傳感器安裝

六:開始向表體輸入?yún)?shù)以確定安裝距離。

七:非常重要:測量出安裝距離。

常見問題

1、超聲波流量計探頭使用一段時間，會出現(xiàn)不定期的報警。尤其是輸送介質(zhì)雜質(zhì)較多時，這種問題會較常見。解決辦法:定期清理探頭(建議一年清理一次)。

2、超聲波流量計輸送介質(zhì)含有水等液體雜質(zhì)時，流量計引壓管容易產(chǎn)生積液，氣溫較低時會出現(xiàn)引壓管凍堵現(xiàn)象，尤其在北方地區(qū)冬季較常見。解決辦法:對引壓管進行吹掃或加電伴熱

3、超聲波流量計對管道的要求非常嚴格 不能有異響 否則會影響測量誤差很大

超聲波在傳播過程中，由于受介質(zhì)和介質(zhì)中雜質(zhì)的阻礙或吸收，其強度會產(chǎn)生衰減。不論是超聲波流量計還是超聲波物位計，對所接受的聲波強度都有一定要求，所以都要對各種衰減進行抑制。

4、瞬時流量波動大?

信號強度大,本身測量流體波動大.

解決方法:調(diào)整好探頭位置,提高信號強度,保證信號強度穩(wěn)定,如本身流體波動大,則位置不好,重新選點,確保*D后5D的工況要求.

5、外夾式超聲波流量計信號低?

這個取決于儀表本身的技術(shù)含量,經(jīng)過現(xiàn)場大量的測試實例證明,像管道時間長,結(jié)垢嚴重,管徑大的問題,艾拓利爾AFTU-2W系列較其他外夾式超聲波流量計,出信號非常快,而且信號很穩(wěn)定。.

解決方法:對于管徑大、結(jié)垢嚴重、建議選用品質(zhì)好的外夾式超聲波流量計，探頭安裝處管道要打磨干凈,用耦合劑或耦合片排除探頭與工件表面之間的空氣，使超聲波能有效地傳入管道內(nèi)，保證探測面上有足夠的聲強透射率.

6、儀表在現(xiàn)場強干擾下無法使用?

現(xiàn)場有變頻器或高電壓電纜場強電磁干擾

建議:遠離變頻器或高電壓電纜場強電磁干擾

7、怎樣選擇一款合適的超聲波流量計?

解答: 管道材質(zhì)、管壁厚度及管徑;流體類型、是否含有雜質(zhì)、氣泡以及是否滿管;流體溫度，流量計類型，是便攜的還是固定在線的。

超聲波流量計采用時差式測量原理:一個探頭發(fā)射信號穿過管壁、介質(zhì)、另一側(cè)管壁后，被另一個探頭接收到，同時，第二個探頭同樣發(fā)射信號被##個探頭接收到，由于受到介質(zhì)流速的影響，二者存在時間差Δt，根據(jù)推算可以得出流速V和時間差Δt之間的換算關(guān)系V=(C2/2L)×Δt，進而可以得到流量值Q

發(fā)展

流量測量的發(fā)展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時代已采用孔板測量居民的飲用水水量。公元*0年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。我國###的都江堰水利工程應用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17世紀托里拆利奠定差壓式流量計的理論基礎(chǔ)，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19世紀流量測量的許多類型儀表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計等。20世紀由于過程工業(yè)、能量計量、城市公用事業(yè)對流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展*地推動儀表更新?lián)Q代，新型流量計如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。至今，據(jù)稱已有上百種流量計投向市場，現(xiàn)場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。 我國開展近代流量測量技術(shù)的工作比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進口。 流量測量是研究物質(zhì)量變的科學，質(zhì)量互變規(guī)律是事物聯(lián)系發(fā)展的基本規(guī)律，因此其測量對象已不限于傳統(tǒng)意義上的管道液體，凡需掌握量變的地方都有流量測量的問題。流量和壓力、溫度并列為三大檢測參數(shù)。對于一定的流體，只要知道這三個參數(shù)就可計算其具有的能量，在能量轉(zhuǎn)換的測量中必須檢測此三個參數(shù)。能量轉(zhuǎn)換是一切生產(chǎn)過程和科學實驗的基礎(chǔ)，因此流量和壓力、溫度儀表一樣得到廣泛的應用。

便攜式超聲波流量計測量功能

技術(shù)優(yōu)勢(與其他原理相比)

不受電率、壓力、溫度以及粘度的影響，

與介質(zhì)不接觸，尤其適用于腐蝕性介質(zhì)的測量

安裝簡單，費用低

可在現(xiàn)有管道上安裝，無需切斷工藝管道

無撓流件，無需縮徑

無泄漏

成本低