超声波流量计技术讲座

超声波流量计技术讲座扬子石化企业计量中心站彭俊杰年7月1超声波流量计技术讲座第1页超声波流量计2超声波流量计技术讲座第2页3超声波流量计技术讲座第3页时差法超声波流量计工作原理4超声波流量计技术讲座第4页时差法超声波流量计工作原理（续1）5超声波流量计技术讲座第5页超声波优缺点和不足

2.1优点USF可作非接触测量。夹装式换能器USF可无需停流截管安装，只要在既设管道外部安装换能器即可。这是USF在工业用流量仪表中含有独特优点，所以可作移动性（即非定点固定安装）测量，适合用于管网流动情况评定测定。USF为无流动阻挠测量，无额外压力损失。流量计仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得，既可采取干法标定，除带测量管段式外普通不需作实流校验。USF适合用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关。对于大型管道不但带来方便，可认为在无法实现实流校验情况下是优先考虑选择方案。多普勒USF可测量固相含量较多或含有气泡液体。USF可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计一个补充。因易于实施与测试方法（如流速计速度-面积法，示踪法等）相结合，可处理一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量，非圆截面管道测量等。一些传输时间法USF附有测量声波传输时间功效，即可测量液体声速以判断所测液体类别。比如，油船泵送油品上岸，可核查所测量是油品还是仓底水。

6超声波流量计技术讲座第6页超声波优缺点和不足（续1）2.2缺点和不足传输时间法USF只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超出某一范围液体；反之多普勒法USF只能用于测量含有一定异相液体。外夹装换能器USF不能用于衬里或结垢太厚管道，以及不能用于衬里（或锈层）与内管壁剥离（若夹层夹有气体会严重衰减超声信号）或锈蚀严重（改变超声传输路径）管道。多普勒法USF多数情况下测量精度不高。国内生产现有品种不能用于管径小于DN25mm管道。

7超声波流量计技术讲座第7页超声波分类和结构

3.1组成USF主要由安装在测量管道上超声换能器（或由换能器和测量管组成超声流量传感器）和转换器组成。转换器在结构上分为固定盘装式和便携式两大类。换能器和转换器之间由专用信号传输电缆连接，在固定测量场所需在适当地方装接线盒。夹装式换能器通常还需配用安装夹具和耦合剂。图7是系统组成示例，此例是测量液体用传输时间法单声道Z法夹装式USF。（见后页）8超声波流量计技术讲座第8页第三节分类和结构（续2）3.2分类

能够从不一样角度对超声流量测量方法和换能器（或传感器）进行分类。（1）按测量原理分类

封闭管道用USF按测量原理有5种，如2节所述，现在用得最多是传输时间法和多普勒法两大类。（2）按被测介质分类

9超声波流量计技术讲座第9页超声波分类和结构（续3）有气体用和液体用两类。传输时间法USF两种介质各自专用，因换能器工作频率各异，通常气体在100~300kHz之间，液体在1~5MHz之间。气体仪表不能用夹装式换能器，因固体和气体边界间超声波传输效率较低。

（3）传输时间法按声道数分类：按声道数分类惯用有单声道、双声道、四声道和八声道四种。近年有出现三声道、五声道和六声道。四声道及以上多声道配置对提升测量精度起很大作用。各声道按换能器分布位置（见图8），又可分为以下几个。

1）单声道有Z法（透过法）和V法（反射法）两种。

2）双声道有X法（2Z法、交差法）、2V法和平行法三种。

3）四声道有4Z法和平行法两种。

4）八声道有平行法和两平行四声道交差法二种。

（4）按换能器安装方式分类有：

1）可移动安装

2）固定安装

10超声波流量计技术讲座第10页超声波选取考虑关键点4.1测量原理选择

选择液体用USF首先考虑测量原理是传输时间法还是多普勒法？其主要判断要素是：液体洁净程度或杂质含量，测量精度要求。基本适用条件如表1所表示。

需插入1个表格及一段描述11超声波流量计技术讲座第11页超声波选取考虑关键点（续1）4.2适用悬浮颗粒含量范围多普勒法USF要比传输时间法适用悬浮颗粒含量上限高得多，而且能够测量连续混入气泡液体。不过依据测量原理，被测介质中必须含有一定数量散射体，不然仪表就不能正常工作。传输时间法USF能够测量悬浮颗粒极少液体，但不能测量含有影响超声波传输连续混入气泡或体积较大固体物液体。在这种情况下应用，应在换能器上游进行消气、沉淀或过滤。在悬浮颗粒含量过多或因管道条件致使超声信号严重衰减而不能测量时，有时能够试降低换能器频率，给予处理。12超声波流量计技术讲座第12页超声波选取考虑关键点（续2）4.3测量准确度

（1）传输时间法

传输时间法比多普勒法有较高测量准确度，液体基本误差为±0.5％R至±5％FS，重复性为0.1％R-0.3％R；气体基本误差为±0.5％R到±3％FS，重复性为0.2％R-0.4％FS，高精度仪表均为多声道仪表。中小口径液体管段式超声流量传感器通常都用水做试验校验，含有±0.5％R高精度。管外夹装换能器或在现场管道固定安装换能器仪表，要经过定标计算接入现场管道流通面积和传输距离长度测量误差，夹装在管道不确定性，声耦合改变等原因，要降低些。若安装调试粗糙不细致，测量准确度有可能低到5％，甚至更低。测量准确度还取决于声道数设置及其布置位置，下文将深入讨论。

13超声波流量计技术讲座第13页超声波选取考虑关键点（续3）（2）多普勒法经典仪表基本误差为±（1％-10％）FS，重复性为（0.2％-1％）FS。工业用多普勒法USF超声波频率为（0.5-2）MHz。多普勒信号包含着不一样散射体移动速度频谱，检测电路提供多普勒频移若干平均测量值以求速度。所测散射体速度和流体平均流速之间关系，伴随不一样情况而改变，有一定不确定性。多普勒法USF性能因受以下一些原因所形成原因影响，整体性能要比传输时间法低得多。比如：散粒体性质；非轴向速度分量形成多普勒频移增宽；被照射域位置不确定性；散射体和基相液体间滑差。所以有些制造厂技术数据仅列出仪表重复性而不列测量准确度或基本误差。流体运行流速不能过低，过低流速会使离散体分布不均匀。若测量管水平安装，气体会浮升在顶部流动，颗粒会沉淀于底部。最低流速通常为（0.1-0.6）ｍ／ｓ。14超声波流量计技术讲座第14页超声波选取考虑关键点（续4）4.4声道设置和直管段要求

多普勒法USF通常只有单套发送和接收换能器；便携式外夹装换能器传输时间法USF通常也只有单声道，其它夹装式则也有用双声道者，带测量管段式有单声道和双声道以上。

（1）传输时间法

传输时间法采取多少声道主要依据是测量准确度要求和安装仪表管段流动情况（取决于上游阻流件组成和直管段条件），以及管径大小。比如BS7405推荐管径大于0.5m用3或4声道，达于3m则用8声道

单声道从单一路径线平均流速乘上系数代表平均流速。单一路径声道换能器设置通常是经过管道中心，即在横截面投影圆直径上，其系数即如图10.2所表示。也右声道设置在弦位置上。流动速度分布畸变和存在径向速度分量（如涡流、二次流）则会改变该系数值，弦位置影响比直径位置影响小。多声道测量多路径线平均流速，更降低流动畸变影响，提升测量精度。

确定声道数有可按仪表样本规范选择（如管段式USF，除单声道外较多采取双声道计量声道以上），有则向仪表制造场联络磋商（如现场安装式USF，尤其是大管径应用，通常为3-8声道）。

为了取得流体沿管道中心平行对称地流动，测量点上下游要有足够长度直管段作有效整流。不能满足时应设置流动调整器。

传输时间法USF直管段长度要求还未有国际标准或国家标准要求值，应按制造厂提供要求。表2例举几个不一样起源提出要求，可作为选型时普通依据。

15超声波流量计技术讲座第15页超声波选取考虑关键点（续4）（2）多普勒法

插1表格16超声波流量计技术讲座第16页超声波选取考虑关键点（续5）对多普勒法USF直管段要求也没有国际标准和国家标准要求值。人们对多普勒法USF直管段要求程度在看法上也迥然不一样。一个看法认为：从原理上讲多普勒法仅测量“照射域”内散射体流速，其测量值受流速分布影响比传输时间法大。为了尽可能降低这种影响，除了采取其它一些方法外，还应确保照射测量域上下游有足够长度直管段，以得到很好流动状态。比如日本电气计测工业会认为多普勒法USF所需直管段长度普通应是传输时间法1.5倍。然而另一个看法是：多普勒法USF本身测量准确度等性能较低，流速分布影响相对于总体测量准确度不主要，直管段要求反而降低。比如有仪表制造厂提出只要在测量点上下游保持大于（3-5）DN直管段。

17超声波流量计技术讲座第17页超声波选取考虑关键点（续6）4.5换能器类型选择（1）传输时间法

本类仪表可采取换能器类型较多，各厂家换能器结构不一样，适用流体条件（温度、压力等）、管道条件（材质、形状、管径、直管长度等）和安装条件等也不相同。另外还与声道设置方法相关，而声道设置方法又与测量精度和重复性等亲密相关。气体用USF因固体和气体界面间超声波传输效率非常低，只能用直射式换能器。所以气体流量测量普通不采取外夹装式USF。（2）多普勒法

本类仪表用折射式换能器。当前国内产品大部分采取夹装式，但与传输时间法所用夹装式换能发射频率等技术性能不一样，不能混用。然而二者适用管道条件是基本相同。18超声波流量计技术讲座第18页超声波选取考虑关键点（续7）4.6安装布置方面考虑1）安装位置和流动方向USF流量传感部分（超声流量传感器或超声换能器）普通均可安装于水平、倾斜或垂直管道。垂直管道最好选择自下而上流动场所，若为自上而下，则其下游应有足够背压，比如有高于测量点后续管道，以预防测量点出现非满管流。2）单向流还是双向流通常为单向流，但也可经过较复杂电子线路，设计成双向流动，此时流量测量点两侧直管段长度均应按上游直管段要求布置。3）管道条件外夹装式USF管道内表面积沉积层会产生声波不良传输和偏离预期声道路径和长度，应予防止；外表面因易于处理较少影响。夹装式换能器和管道接触表面要涂上耦合剂。应注意粒状结构材料（比如铸铁、混凝土）管道，很可能声波被分散，大部分声波传送不到流体而降低性能。换能器安装处管道衬里或锈蚀层与管壁之间不能有缝隙。用V法反射处必须避开焊缝和接口（参见图11）。

19超声波流量计技术讲座第19页超声波选取考虑关键点（续7）4）上游流动扰动与大部分其它流量仪表一样，USF敏感于流过仪表流速分布剖面，所以也要求相当长度上游直管段。前文已对直管段要求作了讨论。5）预防声干扰应注意由控制阀高压力降等所形成声学干扰，尤其在测量气体流量时尤为主要，设法防止之。比如德国Instromet企业USF显示仪中有声干扰实时测量报警；测量管道中采取如图9所表示弯管阻断声干扰办法。

20超声波流量计技术讲座第20页超声波选取考虑关键点（续8）4.7经济原因方面考虑

小口径USF与其它流量仪表相比价格较贵，然而非管段式USF价格并不显著增加。所以用于大口径、超大口径仪表有显著价格优势。多声道仪表有较复杂电子计算部件，价格要高些，所以在要求高精度中小管径上应用受到一些限制。然而上有扰动大而直管段布置受限制场所，多声道系统可能是仅有合理处理方案。外夹装式便携式USF机动性和能够多处使用，仪表购置费可分摊给各测量点，从而降低测量成本。

USF流量校验费用，外夹装式仪表通常不作实流校验，仅作静态调试，液体用仪表可充实液调试；管段式仪表为提升仪表精度，均作实流校验。因为这些校验或调试在出厂前进行，普通包含在价格内。大管径仪表为了提升测量准确度或用户需要在现场考评其准确度，或者测量位置流场畸变严重必须作实流标定，在测量原位用速度面积法等方法在线校验，则应考虑其校验费用。21超声波流量计技术讲座第21页超声波安装注意事项5.1流量传感器或换能器安装（1）流量传感器（即带测量管段插入式换能器总成）安装

1）安装本类流量传感器时管网必须停流，测量点管道必须截断后接入流量传感器。2）连接流量传感器管道内径必须与流量传感器相同，其差异应在±1％以内。3）流量传感器上传感器尽可能在如图10所表示与水平直径成45度范围内，防止在垂直直径位置附近安装。不然在测量液体时换能器声波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。

4）测量液体时安装位置必须充满液体。

5）上下游应有必要直管段。

22超声波流量计技术讲座第22页超声波安装注意事项（续1）（2）外夹装式换能器安装。

上面2）、3）、4）、5）各项应一样注意外，还应注意以下各点。

1）剥净安装段内保温层和保护层，并把换能器按装处壁面打磨洁净。防止局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。

2）对于垂直设置管道，若为单声道传输时间法仪表，换能器安装位置应尽可能在上游弯管弯轴平面内（见图11），以取得弯管流场畸变后较靠近平均值。

23超声波流量计技术讲座第23页超声波安装