超声波流量计的特点及在电厂流量测量上的应用

2010-04-26刘金魁王肇鹏

山东电力技术 2010年4期

刘金魁，王肇鹏

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013；2.济宁四联电仪设备有限公司，山东济宁 272000）

0 引言

超声波原理用于流量测量，早期出现在航空煤油的测量或作为精密医疗仪器用于对人体血管流量的测量，性能优越但造价昂贵。近年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的快速发展，成本随之降低，应用领域业已涉及水利、电力、冶金等行业，其优越的性价比正日趋成为流量测量的首选仪表之一。

1 超声波流量计的发展过程

1928年德国人研制成功第一台超声波流量计，并取得了专利。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。1958年A.L.H-ERDRICH等人发明折射式探头，由于可进一步消除管壁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。

20世纪70年代以后，由于集成电路和锁相环路技术的发展，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，实用性不断增强。

近20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、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，超声波流量测量技术取得了长足进展。

2 超声波流量计的测量原理和分类

2.1 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收。接收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 kHz，而此种流量计所收、发的压力波的频率是0.5～10 MHz（典型频率是1 MHz）,属于超声波范畴，超声波流量计因此得名。

2.2 分类

按原理分：时差法（目前最常采用此法）；频差法（声环法）；相位差法；多普勒法（目前最常采用此法）；相关法；射束位移；涡街法。

按探头（换能器）安装方式分：外缚式；插入式（即湿式），其中又分为带测量管段和不带测量管段。按声道数目划分：单声道；多声道（2～8声道）。按性能分：标准型；固定式；便携式；低温防水型；其他。

2.3 测量原理

超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。这里简单介绍常用的两种方法的测量原理。

2.3.1 时差法测量原理

时差法测量流体流量的原理如图1所示。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。

图1 超声波流量计测流原理图

设静止流体中声速为c，流体流动速度为v，把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成θ角，换能器的距离为L。从P1到P2顺流发射时，声波传播时间

从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间

一般c>>v，则时差

根据上式可求出速度v

2.3.2 多普勒法测量原理

多普勒法测量原理如图2所示。它是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量。

图2 多普勒超声波流量计测流原理图

当随流体以速度v运动的颗粒流向声波发生器时，颗粒接收到的声波频率

当该颗粒将f1频率的声波反射睡去，则接收器接收到的是f2频率的声波

因此，声波接收器和发生器间的多普勒频移

以上各式中：θ为声波方向与流体流速v之间的夹角，f0为声源的初始声波频率，c为声源在介质中的传播速度。若c>>vcos θ则

以上是按单个颗粒考虑时，测得的流体流速和流量。但对于实际含有大量粒群的水流，则应对所有频移信号进行统计处理。超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，见图3。换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加，即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。

平均多普勒频移Δ-f可以表示为：

式中：Δf为信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；ΣNi为产生多普勒频移Δfi的粒子数；Δfi为任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。

由上可知，该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度，因此要求信息窗应位于管渠内接近平均流速的部位，才能使其测量值反映管渠内流体的平均流速。

图3 多普勒超声波流量计测流回路图

3 超声波流量计的技术特性及与其它流量计比较

3.1 超声波流量计的主要特性

1）对无损安装（外缚式）流量计：无损安装；不破坏设备，可在被测工艺管道连续运行的状态下测量；从根本上杜绝被测介质对测量部分的腐蚀；可作为工具仪表，随意移动选择测点对流量进行判定；满足测量管径15～6 000 mm，大管径无需特殊加工，一台表可任意测量各种管径的流量；基本免除维护。

2）可实现正反双向计量，并可计算显示净累积值。

3）精度优于1%，通常在0.5%～1%之间，工况理想时可达0.3%。

4）量程比最大，基本无上限。

5）可作热量计用。

6）小信号切除值最小可达0.03%。

7）多种信号输出和多路信号输入，同窗显示多种参量，一表多用。

8）测量时对直管路要求相对宽松。

9）使用操作简单，所有参量输入以及数据修整均为面板写读方式。

10）测量管道适用范围可用于一切密致材质管道。

在以上诸多特性中除第2、3、8、10项外，其它特性均为超声波流量计所独有的特点或其它传统流量计所不能达到的性能范围。

3.2 与其它流量计的性能比较

超声波流量计（外缚式）与几种常用流量计的性能比较见表1。

对超声波流量计特性说明如下：

1）无损安装（外缚式）超声波流量计的测量，根据换能器的安装方式可分为 “外缚式”“插入式”和“管段式”三种形式。而“外缚式”安装是目前其它流量计所无法做到的独有的测量方式。

a.不会产生压力损失。常用的各种压差式流量计靠截流取压差，再由变送器将压差转换成电信号实现流量测量，会产生压力损失，运行成本高。而用超声波流量计的“外缚式”安装，则不会产生压力损失，运行成本大大降低。

b.安装时无需破坏管道，可在生产过程中实现测量。其它流量计无论是管段式或是插入式则需要在管道上开孔，或截管法兰连接，或停运安装，而超声波流量计外缚即可，安装成本大大降低。

c.由于“外缚式”测量为非接触式测量，测量时探头夹缚在管道外侧，与被测介质不接触，没有防腐处理的要求。其它流量计均要考虑如何处理解决防腐问题，且工艺上对防腐要求愈高，仪表对接介材质的选材等级愈高，其造价亦愈昂贵。而超声波流量计在此情况时价格不变，优势明显。

表1 超声波流量计（外缚式）与几种常用流量计的性能比较

d.可作为工具仪表，随意对各流量测点进行测量、对比和判定。在运行工况时，时常会需要随时对多个测点的流量进行比对或判定，或临时需要某一点的流量值，这时用其它仪表测量需要停运或到处开孔，显然是不可能做到，这时只有超声波流量计可以满足要求。

e.测量适用的管径范围宽。可在15～6 000 mm的管径范围内进行测量而无需特殊加工。在管径足够大时，其它流量计均会受到机械加工或运输的限制而无法满足测量要求，这时只有用超声波流量计才可解决，而且一台表可任意测量各种管径，而其它管段式仪表一台表只能针对性地测量一种管径的流量。

f.无定期调校和定期拆洗等要求。由于仪表不与被测介质接触，故而无需进行定期拆洗，同时整个测量过程中均为电子信号，没有机械量-电量的转换变送环节，因此亦无需定期进行机械零点和满量程的调校，定期排污等维护工作，大大降低仪表的运行维护成本。

2）可实现正反双向计量。由于运用时差原理，流体正反向流动时均可产生速度差，因此仪表可测量出正向或反向流体的瞬时和累积流量并可计算出净累积流量。大大拓宽了工艺生产对测量的要求，而其它大部分流量计只能测量单一方向的流量。

3）超声波流量计的精度为优于1%。一般情况下根据测量现场工况的不同，其精度在0.5%～1%之间，理想工况下可达0.3%。这一精度在目前各种测流设备中属高精度仪表，目前只有质量流量计和电磁流量计可达这一精度。

4）量程比大，基本无上限。除超声波流量计外，

目前其它任何流量计均存在一个受限于测量范围亦即量程比的问题，对于足够宽的量程范围，只能分段测量。

5）可作热量计用。在测量流量时，将被测回路去、回温度的电流信号输入至流量计，即可直接积算并显示流体回路的热量值。

6）小信号切除值极低，最小可达0.03%。这是其它传统流量计所不能做到的。所有测流设备均有一个测量死角的问题，尤其在小流量测量时，小信号（即小流量测量）切除值越低，说明仪表的灵敏度越高，这方面超声波流量计的优势显著。

7）多种信号输出和多路信号输入显示。仪表具有模拟电流4～20 mADC输出，数字通讯信号（RS-232串行接口）输出，模拟开关量输出，频率信号输出。同时还有接收多路信号输入的端口，可同窗显示温度、压力等参量，一表多用，可省用多个显示表。

8）对被测管道材质适用范围广。可用于一切密致材质的管道，并允许有内衬。

9）使用操作简单，所有参量输入以及数据修整均可实现以面板写读方式完成。

10）对直管段的要求较宽松。一般流量计，尤其是差压式流量计在选择测点时均有直管的要求，以确保稳流，使测量结果尽可能接近真实值。通常会严格要求测点前10D后5D（“D”指被测管径）。而超声波流量计对此则较宽松，测点的前7D后3D即可，甚至更小，测量点选择范围更宽。这样测量时会更加方便，减少测量时的安装难度。

当然，超声波测流也有其局限性。目前常用的超声波流量计还只能测量液体（而测量气体的超声波流量计目前造价昂贵，未能普及）。另外，由于受材料科学发展的制约，目前的超声波流量计尚不能测量高温介质，最高可测量的介质温度在150℃以内。

3.3 与其它流量计的价格比较

目前电厂对于流量测量手段除超声波外，主要采用差压式流量计、涡衔流量计、电磁流量计和质量流量计等。

由于历史原因，应用最广的是差压式流量计。差压式流量计一般由四个单元组成，一次单元（节流装置），导压系统，变送单元和显示单元。其中一次单元—节流装置由于节流方式得不同而种类繁多，根据不同工况的要求，主要有标准孔板、V锥、楔式、阿牛巴、威力巴、双曲线、文丘理管等方式。节流装置的价格与被测管径的大小、取样方式及防腐材质有关，通常管径越大防腐要求越高其价格也越高，另外变送单元主要是变送器，常用的EMERSON ROSEMOUNT 3051和3095差压变送器，材质为1Cr18Ni9Ti价格一般在0.6～0.9万元，材质为316L或其它更高时价格在1～1.8万元之间。导压系统是指导压管材、一次阀门、二次阀门、排污阀门及平衡阀门组成，一套价格一般为0.15万元左右。显示单元一般采用流量开方积算显示仪，价格一般在0.15万左右。以一般防腐要求，管径为常用的DN200为例。一个完整测量系统价格一般在1.5～1.9万元。若在测量循环水管道等大管径时，价格随之上升，应在2万元以上。超大管径时则无法实际测量。由于其测量精度为1.5级，故在对测量精度要求较高时亦不可用。另外安装时管道必须停运，须要动用机务和配合防腐处理，投运后需要定期对导压管路进行排污，定期对变送器进行调校等维护工作，这样整个测量系统除了设备费用外还需增加安装费用和运行维护费用。

涡衔流量计为法兰连接，无需导压管路，其价格随被测管径大小而改变。在DN200时价格在1.2万元左右，防腐要求高时，价格更高。但由于其测量流体漩涡频率原理的要求，在现场有振动时不可用。超大管径时也不可用。另外测量精度和灵敏度较低，在对此项要求较高时亦不可用。

在上世纪80至90年代，尤其90年代中后期，一种精度更高的仪表—电磁流量计在各电厂中开始逐步广泛使用。其测量工况适用性和测量精度大体与超声波流量计相当，测量精度标称0.5级，实际测量精度在0.5%～1%之间，高于此前常用的其它传统流量计。灵敏度也较高。由于其安装方式也是法兰连接，故此其价格也是随管径的增大而增加。目前常用的德国E+H、科隆、日本横河等公司产品均价格不菲。以DN200管径为例，价格一般在3万元左右，但被测管径为DN400或DN600时，价格高达5～7万元。在对腐蚀性介质测量时，价格也要相应增加。还有由于电磁流量计是以流体通过仪表时的磁通量变化的原理进行测量，因此只能测量导电的液体介质，在管径过大时和非导电介质时（如水处理的纯水环节,油量等）则不可用。

质量流量计精度高、适用范围广、灵敏度和稳定性均十分理想，但价格昂贵，一般只在特殊场合少量使用（如电厂点火油路的油量）。以电厂点火油管路测量为例。一般管径在DN50～DN80之间。德国ROTAMASS，美国ROSEMOUNT等公司的科里奥利式质量流量计，价格均在10万元以上。

超声波流量计在市场上的出现是在上世纪90年代，各电厂也是于90年代中后期开始陆续装备，其性能优越，使用效果良好。只是由于价格较贵，早期只是少量装备便携式流量计，用作流量判定的工具仪器。随着技术的发展，市场的成熟，超声波流量计的价格越来越趋于合理，加之电厂对测量效果要求的不断提高，超声波流量计相对其它流量计的性价比优势越发明显。尤其进入本世纪后，电厂在选择测流方式时尤其对超声波特别关注，开始大量装备超声波流量计。目前常用的进口品牌有美国丽声POLYSONLCS DCT7088系列，迪纳声DYNASONIS ERIES901系列，日本横河，英国MICRONES,韩国PUISE PLS-780系列等，便携式（工具表）一般价格在5～7万元之间，固定式价格一般在3～5万元之间。价格最便宜的属韩国PUISE公司生产的PLS-780系列，这一系列是韩国PULSE公司专门针对中国市场开发的产品，便携式价格为3.2万元左右，固定式为2.5万左右。

由上述比较可见，在被测管径大、防腐要求高等场合，考虑安装和维护费用，超声波流量计较其它流量计也具备明显的价格优势。

4 超声波流量计在电厂中的应用实例

由于超声波流量计较其它流量计的技术特性优势，在电厂流量测量中越来越受到关注，并开始大量应用。下面列举几个典型应用实例。

越南IAGIAIⅢ水电站，水轮机组循环水需要对流量测量，由于管径超大，分别是DN3000、DN6000，通过对各种流量计充分论证后，最终确认只有用超声波流量计可行，后选用超声波流量计解决了问题。

华电邹县发电厂6号炉补给水，原管路上所装涡衔流量计损坏，更换时不能停运，选择超声波流量计便轻松方便地解决了问题。

华能白杨河电厂凝结水管道上已安装了涡衔流量计，由于工艺变更，要求取得对小流量更为精确的测量值，涡衔流量计的小信号切除值高，因此在不停产状态下新装了超声波流量计满足了这一要求。

2003年以前，华能白杨河电厂补给水一直用差压式流量计进行单一方向测量，外购水以此为结算标准，在安装超声波流量计后，发现仪表显示有负流量现象（经查找，发现水网回路确有回流现象），其净累积值远没有以前的测量值那么大，为此给电厂节省了一大部分购水费用。

2008年，鲁能运河发电厂要增加对点火油回路的油量进行测量，此前所用的流量计为质量流量计，价格均在8～10万元，不但昂贵，而且交货周期很长，且安装亦不方便。后选用韩国PUISE公司PLS-780F系列外夹式超声波流量计，只花费了2万多元便解决了问题，而且使用效果理想。

华电漯河发电厂，水处理测流时选用了部分电磁流量计，安装前一部分管道已整体做好了防腐内衬，管段式的电磁流量计安装时必然要破坏管道的防腐层，安装后再进行整体防腐处理，不但加工难度很大，而且成本也大幅度增加，改用超声波流量计顺利地解决了问题，未增加设备和安装费用。另外由于电磁流量计只能测量导电介质，对纯水的测量部分也改用了超声波流量计，均达到了理想的效果。