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淮安金鼎自動(dòng)化儀表有限公司作者
江蘇金鼎自動(dòng)化儀表有限公司 ：姚佳明
近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測(cè)量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快，基于不同原理，適用于不同場(chǎng)合的各種型式的超聲波流量計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)廣大用戶提出如何認(rèn)識(shí)超聲波流量計(jì)、怎樣選擇合適的類型，使用中應(yīng)注意些什么問題等一系列問題。本文綜合國(guó)內(nèi)超聲波流量計(jì)目前的發(fā)展情況及多年應(yīng)用的實(shí)踐，對(duì)上述問題進(jìn)行了些探討。
1 超聲波流量計(jì)的分類
超聲波流量計(jì)的種類很多，依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計(jì)。
1.1 多譜勒式超聲波流量計(jì)
如圖1，換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號(hào)，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。設(shè)流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v，即
t1=L/（c+cosθ） 所以流體流速 fd=f2-f1=（2f1sinθ）×ν/c 當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測(cè)量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。 1.2 時(shí)差式超聲波流量計(jì) 時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測(cè)量流體流量的。 如圖2，換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號(hào)，這是順流方向，其傳播時(shí)間為 ν=（c× fd）/2f1sinθ 反之，逆流方向的傳播時(shí)間為： t2=L/（c-νcosθ） 時(shí)間差為： △t1=t2-t1=2Lνcosθ/（c2-ν2cos2θ） 由于c>>v，故 △t=2Lνcosθ/c2 （ν2cos2θ忽略不計(jì)） 所以，流體流速 ν=（c2×△t）/2Lcosθ 同樣，c、L、θ均為常數(shù)，測(cè)得時(shí)間差△t即可求出流體流速v，進(jìn)而求得流體流量。 2 區(qū)別 根據(jù)超聲波流量計(jì)使用場(chǎng)合不同，可以分為固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)。 2.1 這兩類超聲波流量計(jì)的主要區(qū)別 （1）適用的場(chǎng)合不同：固定式超聲波流量計(jì)用于安裝在某一固定位置，對(duì)某一特定管道內(nèi)流體的流量進(jìn)行長(zhǎng)期不間斷的計(jì)量；便攜式超聲波流量計(jì)具有很大的機(jī)動(dòng)性，主要用于對(duì)不同管道的流體流量作臨時(shí)性測(cè)量。 （2）供電方式不同：固定式超聲波流量計(jì)要求長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計(jì)既可以使用現(xiàn)場(chǎng)的交流電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5～10h［小時(shí)］，大大方便了不同場(chǎng)合臨時(shí)性流量測(cè)量的需要。 （3）部分功能不同：因定式超聲波流量計(jì)，通常都有4-20mA信號(hào)輸出等功能，供遠(yuǎn)傳顯示使用，但其內(nèi)部只能存貯一條管道的參數(shù)；便攜式超聲波流量計(jì)只是為了現(xiàn)場(chǎng)查看當(dāng)時(shí)流量和短時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量，故一般無輸出信號(hào)功能，但為了方便測(cè)量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時(shí)存貯數(shù)十條不同管道的參數(shù)，供隨時(shí)調(diào)出使用。 2.2 換能器供電方式不同 可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計(jì)。 （1）外貼式：外貼式超聲波流量計(jì)是生產(chǎn)zui早，用戶zui熟悉且應(yīng)用zui廣泛的超聲波流量計(jì)，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現(xiàn)了超聲波流量計(jì)安裝簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。 （2）管段式：某些管道因材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴(yán)重，襯里和管道內(nèi)空間有間隙等原因，導(dǎo)致超聲波信號(hào)衰減嚴(yán)重，用外貼式超聲波流量計(jì)無法正常測(cè)量，所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計(jì)。管段式超聲波流量計(jì)把換能器和測(cè)量管組成一體，解決了外貼式流量計(jì)在測(cè)量中的一個(gè)難題。而且測(cè)量精度也比其它超聲波流量計(jì)要高，但同時(shí)也犧牲了外貼式超聲波流量計(jì)不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn)，要求切開管道安裝換能器。 （3）插入式：插入式超聲波流量計(jì)介于上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號(hào)的發(fā)射、接受只經(jīng)過被測(cè)介質(zhì)，而不經(jīng)過管壁和襯里，所以其測(cè)量不受管質(zhì)和管襯材料限制。 3 超聲波流量計(jì)的選型 超聲波流量計(jì)除上述各種類型外，近年來又出現(xiàn)了采用數(shù)字化電路的數(shù)字式超聲波流量計(jì)，把換能器和轉(zhuǎn)換器做在一起的一體式超聲波流量計(jì)，等等。面對(duì)眾多類型的超聲波流量計(jì)，用戶要根據(jù)實(shí)際情況和測(cè)量需要合理選型。 3.1 多譜勒式超聲波流量計(jì) 只能用于測(cè)量含有適量能反射超聲波信號(hào)的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水、雜志含量穩(wěn)定的工廠過程液等。要注意它對(duì)被測(cè)介質(zhì)要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時(shí)雜質(zhì)含量要相對(duì)穩(wěn)定，才可以正常測(cè)量，而且不同廠家的儀表性能及對(duì)被測(cè)廠家的要求也不一樣。選擇此類超聲波流量計(jì)即要對(duì)被測(cè)介質(zhì)心中有數(shù)，也要對(duì)所選用的超聲波流量計(jì)的性能、精度和對(duì)被測(cè)介質(zhì)的要求有深入的了解。 3.2 便攜式超聲波流量計(jì) 適用于臨時(shí)性測(cè)量，主要用于校對(duì)管道上已安裝其它流量?jī)x表的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行一個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體平衡測(cè)試 ，檢查管道的當(dāng)時(shí)流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時(shí)，選用便攜式超聲波流量計(jì)既方便又經(jīng)濟(jì)。 3.3 時(shí)差式超聲波流量計(jì) 目前生產(chǎn)zui多、應(yīng)用范圍zui廣泛的是時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它主要用來測(cè)量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。此外它也可以測(cè)量雜技含量不高（雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均勻流體，如污水等介質(zhì)的流量，而且精度可達(dá)±1.5%。實(shí)際應(yīng)用表明，選用時(shí)差式超聲波流量計(jì)，對(duì)相應(yīng)流體的測(cè)量都可以達(dá)到滿意的效果。 3.4 管道式超聲波流量計(jì) 精度zui高，可達(dá)到±0.5%，而且不受管道材質(zhì)、襯里的限制，適用于流量測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合。但隨著管徑的增大，成本也會(huì)隨增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計(jì)，較為經(jīng)濟(jì)。 3.5 固定式超聲波流量計(jì) 如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，*消除了管襯、結(jié)垢及管壁對(duì)超聲波信號(hào)衰減的影響，測(cè)量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護(hù)工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應(yīng)用正在不斷推廣。 有的廠家推出了內(nèi)部為數(shù)字化電路的超聲波流量計(jì)，其特點(diǎn)是采用數(shù)字電路處理信號(hào)，糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，取樣及時(shí)，精度提高（模擬電路的精度為±1.5%，數(shù)字電路可以達(dá)到±1.0%），而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號(hào)輸出模式供選擇，在實(shí)際應(yīng)用也取得了很好的效果。用戶在使用中可以和模擬電路的超聲波流量計(jì)進(jìn)行比較。 超聲波流量計(jì)的功能選擇，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況來確定。如果測(cè)量雙向流體，一定要選擇帶有正負(fù)計(jì)量功能的超聲波流量計(jì)；如果用戶需要定期了解流體在一定時(shí)段有流量情況，可以選擇帶打印機(jī)的超聲波流量計(jì)。總之，所選擇的超聲波流量計(jì)的功能既要滿足用戶需要，也不必貪多求全，造成許多功能閉置不用，而增加購買成本。 4 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用 超聲波流量計(jì)在應(yīng)用中，需要注意以下幾個(gè)方面的問題： 4.1 正確選擇 這是超聲波流量計(jì)能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng)，或會(huì)造成流量無法測(cè)量，或者用戶使用不做便等后果。具體選型原則，前面已做了詳細(xì)的介紹。 4.2 合理安裝 換能器安裝不合理是超聲波流量計(jì)不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個(gè)問題。確定位置時(shí)除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調(diào)速囂、電焊機(jī)等污染電源的場(chǎng)合。在安裝方式上，主要有對(duì)貼安裝方式和V方式、Z方式三種，如圖3。 多譜勒式超聲波流量計(jì)采用對(duì)貼式安裝方式，時(shí)差式超聲波流量計(jì)采用V方式和Z方式，通常情況下，管徑小于300mm時(shí)，采用V方式安裝， 管徑大于200mm時(shí)，采用Z方式安裝。對(duì)于即可以用V方式安裝又可以方式安裝的換能器，盡量選用Z方式。實(shí)踐表明，Z方式安裝的換能器超聲波信號(hào)強(qiáng)度高，測(cè)量的穩(wěn)定性也好。 4.3 及時(shí)核校 對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝固定式超聲波流量計(jì)數(shù)量大、范圍廣的用戶，可以配備一臺(tái)同類型的便攜式超聲波流量計(jì)，用于核?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的情況。一是堅(jiān)持一裝一校，即對(duì)每一臺(tái)新裝超聲波流量計(jì)在安裝調(diào)試時(shí)進(jìn)行核校，確保選位好、安裝好、測(cè)量準(zhǔn)；二是對(duì)在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)發(fā)生流量突變時(shí)，要利用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行及時(shí)核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實(shí)發(fā)生了變化。 4.4 定期維護(hù) 與其他流量?jī)x表相比，超聲波流量計(jì)的維護(hù)量是比較小的。對(duì)于外貼換能器超聲波流量計(jì)，安裝以后無水壓損失，無潛在漏水，只需定期檢查換能器是否松動(dòng)，與管道之間的粘合劑是否良好即可；插入式超聲波流量計(jì)，要定期清理探頭上沉積的雜質(zhì)、水垢等有無漏水現(xiàn)象；如果是一體式超聲波流量計(jì)，要檢查流量計(jì)與管道之間的法蘭鏈接是否良好，并考慮現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度對(duì)其電子部件的影響，等待。定期維護(hù)可以確保超聲波流量計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。 4.5 故障排除 超聲波流量計(jì)常見的故障原因及排除故障的方法如表：表1 故障分析表 3 結(jié)束語 目前，超聲波流量計(jì)的各類很多，應(yīng)用也很廣泛，在流量測(cè)量方面發(fā)揮著越來越重要的作用，而且其技術(shù)更新很快，不斷有新型的超聲波流量計(jì)推向市場(chǎng)，走向用戶。只有把握超聲波流量計(jì)的發(fā)方向，才能更好的了解它，應(yīng)用它，便它更好的服務(wù)于生產(chǎn)和計(jì)量工作。
故障現(xiàn)象 故障原因 排除方法 無信號(hào) 換能器與主機(jī)之間聯(lián)線斷開 重新連接 信號(hào)強(qiáng)度不夠 1.出現(xiàn)的電源污染 凈化電源 2.換能器位置移動(dòng) 重新調(diào)整換能囂位置 瞬時(shí)流量穩(wěn)定，0但比實(shí)際值偏大 換能器聲楔出現(xiàn)故障 更換換能器 瞬時(shí)流量波動(dòng)大 1.流體受到干擾，流態(tài)不穩(wěn) 更換換能器位置 2.主機(jī)阻尼系數(shù)設(shè)置太小 增大陰尼系數(shù) 瞬時(shí)與累計(jì)流量不一致 主機(jī)出現(xiàn)故障 更換主機(jī)
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