超声波流量计的应用研究

苏菲

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

超声波流量计（Ultrasonic Flowmeter）是通过检测流体流动时对超声波（超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。超声波流量计具有如下主要特点：被测流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失；能用于任何液体，特别是具有高黏度、强腐蚀，非导电性等性能的液体的流量测量，也能测量气体的流量；对于大口径管道的流量测量，不会因管径大而增加投资；量程比较宽，可达5∶1；输出与流量之间呈线性等。

由于这些独特的优点，超声波流量计的发展非常迅速，已经成为常用的流量计之一，其应用领域日益扩大，具有相当好的发展前景。

超声波流量计的检测原理包括两种：时差法和多普勒法。目前，市场上最常用的超声波流量计为时差法超声波流量计。多普勒法超声波流量计由于对被测介质要求较高，存在一定的局限性。下面就分别介绍这两种超声波流量计的检测原理与选型应用。

1 时差法超声波流量计的工作原理

如图1所示，为管道式安装的超声波流量计测量时的示意图，可以清楚的表示出超声波在传感器探头A和B之间的管道内传播的简化几何关系。其中，超声波传播的声道与管道的轴线间夹角为β，管径为D。

超声波穿过管道如同渡船过河流，如果管道内没有液体流动，超声波将以相同的速度向两个方向传播。当管道中的流体流速不为零时，沿流动方向顺流传播的超声波将加快速度，而逆流传播的超声波将变缓慢。因此，相对于没有流体流动的情况，当管道中存在流体流动时，顺流传播的时间tD将缩短，逆流传播的时间tU将增长。根据这两个传播时间差，就可以计算出管道中流体流速[1]。这就是时差法超声波流量计的基本测量原理。

图1 时差法超声波流量计测量示意图

在图1中，有下面的关系成立：

将以上式（1）和式（2）联立并解之，可得：

式中 L — 超声波在还能器之间的传播路径长度，m；

X — 声道长度在管轴线的平行线上的投影长度，m；

tD，tU— 超声波顺流传播时间和逆流传播时间，s；

C — 超声波在静止流体中的传播速度，m/s；

Vm— 流体通过换能器之间声道上的平均流速，m/s。

其实，式（3）中计算得到的流速还只是沿声道传播方向的流体速度的平均值。而用户想知道的是管道横截面上的平均流速V。由Vm计算V，一般会引入一个速度分布校准系数Kc，即可得：

式中 V — 管道横截面上的平均流速，m/s；

Vm— 流体通过换能器之间声道上的平均流速，m/s。

Kc — 速度分布校准系数。

Kc的数值主要取决于流体的雷诺数。如果声道在通过管道轴线的平面内，则由式（5）给出Kc的一个近似值：

式中 ReD— 流体的雷诺数；

对于充分发展的紊流，如果声道不在通过管道轴线的平面内（即倾斜的弦线），这Kc系数及它与雷诺数的关系都将不同。

2 多普勒法超声波流量计工作原理

多普勒（效应）法是利用声学多普勒原理确定流体流量的。多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动时，会引起声波在频率上的变化。这种频率变化正比于运动的目标和静止的发射换能器之间的相对速度[1]。图2是多普勒流量计测量时的示意图。

图2 多普勒法超声波流量计测量示意图

如图2所示，超声波流量计的传感器探头A和B安装在管道外，其中A为发射探头，B为接受探头。A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，探头B接收到频率为fB的超声波，可知：

式中 V — 散射体运动的速度，m/s；

C — 超声波在静止流体中的传播速度，m/s；

θ — 声道角。

由于液体的声速为1 500 m/s左右[2]，被测流速仅仅为每秒数米，即C远远大于V，由此式（6）可以简化为：

多普勒频移fd正比于散射体流动速度，即：

由式（8）可知，

多普勒超声波流量计就是通过以上原理测量管道中流体流速的。

3 超声波流量计的比较与选型

时差式超声波流量计作为目前生产最多、应用范围最广泛的超声波流量计，它主要用来测量较为清洁的液体和气体流量，当固体悬浮颗粒较多时，会导致超声信号严重衰减而不能测量。因此，其首先在自来水公司和工业用水领域，得到广泛应用[3]。随着超声波流量检测技术的不断发展，它也可以测量杂质含量不高的均匀流体，如：污水等介质的流量，而且精度较高。有关颗粒含量和颗粒大小的限制，视不同厂家技术略有区别，通常满足杂质含量小于10 g/L，粒径小于1 mm的均匀流体都能获得良好的应用。实际应用表明，选用时差式超声波流量计，对一般流体的测量都可以达到满意的效果。

目前，市场上比较常见的时差法超声波流量计又可分为如下三大类 ：夹装式超声波流量计，插入式（湿式）超声波流量计和整体式超声波流量计。夹装式超声波流量计，由于夹装在管道外，不会阻碍管道内介质流动，因此不会带来其它原理测量流量计那样的压损，而且夹装式超声波流量计一般没有部件会造成积聚或者污染，也没有运动部件可被磨损，故基本无需维护或极少维护，应用非常广泛。插入式（湿式）超声波流量计主要应用于高湿、高压液体和气体的流量测量，其主要特点是适用于很宽的流速与管径范围，高精度，测量无偏移，耐腐蚀，但安装通常比较复杂，难度较高，如安装时不够精确或处理不当可能导致影响测量的精度和可靠性。整体式超声波流量计，顾名思义，这类超声波流量计所有部件已预先安装，在流量计出厂前，在工厂内就集成固化传感器和传感器安装短管，完成测试，因此，流量计运送到现场后，安装非常快速简便，使用螺栓将管道和流量计带来的安装短管两端进行法兰连接即可。整体式超声波流量计的最大特点就是安装简单方便，高精度，且可以测量双向流，但价格偏高。对于大口径管道流量测量，整体式超声波流量计还能提供双通道的配置，即两路过直径的声通道，每个通道都会测到一个流量值，然后取平均值，这样可以大大提高测量精度[4]。

而多谱勒式超声波流量计，只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如：工厂排放液、未处理的污水、杂质含量稳定的生产装置液体介质等。尤其注意的是，它对被测介质要求比较苛刻，即不能是洁净水，同时杂质含量要相对稳定，才可以正常测量，而且不同厂家的仪表性能及对被测介质的要求也不一样。因此，选择此类超声波流量计既要对被测介质特性有所认识，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度及其对被测介质的要求有深入的了解。多普勒法超声波流量计一般不适用于清洁液体，除非液体中引入散射体或者扰动程度大到能获得反射信号[3]。由此可知，多普勒式超声波流量计对被测介质要求较高，在选型应用上存在局限性，已淡出超声波流量计的主流市场。

另外，超声波流量计的精确程度差异很大。时差法超声波流量计中，整体式超声波流量计，精确度较高，基本误差一般可达±（0.5～1）% R，也有的高达±0.15% R；夹装式超声波流量计精度可达±（1 ～3）% R；多普勒法超声波流量计，一般可达±（3 ～10）% FS，只有当固体粒子含量基本不变时，才可达±（0.5～3）% FS。

由上可知，时差法超声波流量计是目前主流应用的超声波流量计，多普勒式超声波流量计应用范围较小。在工程设计中，对于超声波流量计的选用需要根据被测流体本身的特性进行正确的选择，这样才能使其发挥作用。

通常情况下，在测量清洁程度较高的液体流量时，时差法超声波流量计无疑是首选。而对于测量含有较多固体悬浮颗粒的重油，在早期，时差法超声波流量计由于超声信号被严重衰减而不能测量，只能考虑采用多普勒法超声波流量计，尽管其测量效果难以保证。但随着技术的不断进步，这几年，某些时差法超声波流量计的制造厂采用了其独特的、受专利保护的声信号编码技术，从而极大的提高了信噪比，这样就可以将时差法超声波流量计的优点延伸至更加苛刻的应用中，为众多含有气泡，液滴或夹带固体颗粒等传统时差法无法测量的液体、两相流等提供了精确、无漂的测量。这就使得时差法超声波流量计的应用更加广泛，甚至替代多普勒法超声波流量计，成为目前市场上超声波流量计的不二之选。

综上所述，对于超声波流量计的选型，首先应该针对被测流体工况介质特性进行分析，初步选型判断，但涉及到每个厂家不同技术特点的产品，做为工程设计人员还应该进行综合判断，同时，还要考虑项目的统一性，价格因素等，最终选取合适的流量计类型。

4 超声波流量计的应用

通过以上分析，相信我们已经能够对于各种类型的超声波流量计作出正确选型，而这也是超声波流量计能够正常工作的基础。如果选型不当，会产生流量无法测量、测量误差大或信号不稳定等问题。除对超声波流量计进行正确选型外，还应注意其安装、调校、维护等方面的问题，才能保证稳定运行。

传感器探头安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装传感器探头需要考虑的方面主要是以下两点：安装位置的确定和安装方式的选择。

传感器探头的安装位置，首先要保证有足够的上、下游直管段，其次要注意传感器探头的安装位置要尽量避开有变频调速嚣、电焊机等信号干扰源的场合。超声波流量计的直管段要求一般为：满足直管段前10D后5D以及离泵30D的距离。(D为管道直径)

在探头的安装方式上，根据时差法超声波流量计的三大类型，主要有夹装式、插入式和整体法兰式。插入式安装方式，通常需要在测量管道上开孔并焊接安装管嘴（凸台），超声波探头通过安装套件插入管嘴（凸台）内，安装套件以螺纹、承插焊或法兰连接方式与管道上的管嘴（凸台）连接。这种方式对安装管嘴（凸台）的高度、位置都有要求，一般需要流量计厂家现场指导安装。整体法兰式安装最为简单，只需将管道和整体式超声波流量计带来的安装管用螺栓将法兰连接即可。应用最为广泛的夹装式安装方式，除适用于夹装式时差法超声波流量计外，还可适用于多谱勒式超声波流量计。夹装式又可分为以下三类：对夹式、V方式和Z方式，如图3所示。多谱勒式超声波流量计采用对夹式安装方式，时差式超声波流量计采用V方式和Z方式，通常情况下，管径小于300 mm时，采用V方式安装， 管径大于200 mm时，采用Z方式安装。对于即可以用V方式安装又可以Z方式安装的换能器，尽量选用Z方式。实践表明，Z方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好[3]。

图3 超声波流量计传感器探头夹装式安装方式

在实际的工程应用中，如使用到较多的在线安装超声波流量计，通常可以配备一台便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的测量结果。这样既可以对每一台新装的超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、测量准。还可以在装置运行过程中，对在线运行的超声波流量计发生流量突变的情况时，可以利用配备的便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化[5]。

另外，定期维护对超声波流量计的长期稳定运行也有着至关重要的作用。与其他流量仪表相比，超声波流量计的维护量是比较小的。对于夹装式超声波流量计，安装以后无压力损失，无潜在泄露，只需定期检查传感器探头是否松动，与管道之间的粘合剂是否良好即可。对于插入式（湿式）超声波流量计，要定期清理探头上沉积的杂质、水垢等，并注意有无漏出现象。如果是整体式超声波流量计，要检查流量计与管道之间的法兰连接是否良好，并注意现场温度和湿度对其电子部件的影响等。

5 结束语

近几年来，超声波流量计的技术不断创新，销量不断上升，发展迅速。随着化工、石化、煤化工和天然气等流程工业的强势发展，超声波流量计因有其独特的优点，在这些领域将得到广泛的应用。因此，在工程设计中，超声波流量计的正确选用是极为重要的，必须引起重视。只有正确合理的进行选型、安装、维护，才能使其在实际应用中发挥应有的作用。

[1] 周人，何衍庆.流量测量和控制实用手册[M].北京：化学工业出版社，2013, 6.

[2] 王森，纪纲.仪表常用数据手册[M].第二版，北京：化学工业出版社，2006.

[3] 纪纲， 纪波峰.流量测量系统远程诊断集锦[M].北京：化学出版社，2012, 8.

[4] GE超声波流量计样本[Z].

[5] 陆德名，张振基，黄布余.石油化工自动控制设计手册[M].第三版，北京：化学工业出版社，2009.