浅谈超声波流量计的应用

李彦林

（日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照276800）

1 超声波流量计的工作原理

超声波流量计利用超声波测量流量有许多种方法，其中典型的方法有时差法、声循环法、多普勒法。本文主要介绍时差法超声波流量计的工作原理，超声波在流体中的传播速度受到流体流速的影响，在流体顺流方向和逆流方向是不一样的，其传播时间差和流体的流速成正比。只要测出超声波在这两个方向上传播的时-间差，便可知流体的流速，再乘以管道截面积便可得流体的流量。具体计算公式如下：

超声波在顺流方向传播时间t1为：

逆流方向传播的时间t2为：

式中：L——声程，m；

φ——管轴线与声道之间的夹角，即声道角；

c——声波在静止流体中的声速，m/s；

v——流体沿管道轴向的流速，m/s；

超声波传播的时间差△t为：

因为c2>>v2cos2φ所以流速v为：

由上可知这时只要测得t1和t2，便可求得流体流速，流体流量。

2 超声波流量计的结构

超声波流量计主要由换能器和控制器（变送器）两部分构成。换能器有两种，一种是发射换能器，另一种是接收换能器。发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收换能器接收到超声波信号，通过传输线送到控制器（变送器）。控制器（变送器）的作用是将接收到的超声波信号经电子线路放大并转换为与被测流体体积流量成正比的电信号，进行显示和累计计算，还可将信号进行远传进入DCS等控制系统。

3 超声波流量计的选型

为确保流量计正常投运，仪表选型至关重要。超声波流量计根据换能器的安装方法不同可分为外夹式超声波流量计、插入式超声波流量计和标准管段式超声波流量计。超声波流量计的选型主要是根据计量要求选择适合的流量计。

（1）外夹式超声波流量计，优点：①外夹式超声波流量计的换能器安装在管道外面，不与被测流体直接接触，不存在换能器腐蚀、粘结等问题；②测量时，在管道内部无任何测量部件，没有压力损失，不改变流体的流动状态；③安装简单方便，管道不用切断，不用开孔，安装时不用停流；④可以便携使用，便于对有怀疑的其他流量计进行比对。不足：①对管道条件要求较高，应确定管道材质、管道外径、壁厚、衬里材质和厚度等；②测量精度相对低一些。

（2）插入式超声波流量计，优点：①安装时不用停流，使用专用安装工具在管道上开孔，换能器直接穿插在孔内；②与外夹式超声波流量计相比，测量精度较高，不受管道锈蚀、结垢等的影响。不足：①换能器直接与被测流体接触，易被腐蚀、结晶造成仪表测量不准确。

（3）标准管段式超声波流量计，把换能器固定安装在按照设计加工好的管段上，并且换能器直接与被测流体接触。这种流量计能够准确控制加工精度，同时可以精确测量管段的几何尺寸，而且两个换能器之间只有单一被测介质，所以测量准确度较高，但是，不足是安装麻烦，需要断流，割开管道安装，而且对于大口径管道定做价格较高，因此除非特殊要求一般不建议选用此种超声波流量计。

综上，超声波流量计在选型时必须综合考虑准确度、安装条件、现场环境等，选择适合的流量计。

4 超声波流量计的安装

（1）测量点的选取：①测量点应尽量选择距离上游10倍直径、下游5倍直径以内均匀直管段，以确保流体所需的流速分布；②流量计尽可能水平或垂直安装，管内必须充满流体，当换能器安装在倾斜管道上时，不要装在上部和底部，以免管道内的气体或杂质进入测量声道，应尽可能使换能器处于和水平面成45度角的范围内；③对于外夹式超声波流量计，测量点管道内壁不能有过厚结垢层，尽量选择无结垢的管段且应具有良好的导声性能；

（2）换能器安装方式

①V法安装

适用于管径较小时，采用V法安装扩大了声程长度，增加了顺逆向声波传播时间；

②Z法安装

Z法安装方式一般适用于DN200以上管道，使用Z法安装时超声波在管道中直接传输，没有折射，信号衰耗小。

5 超声波流量计的应用

近年来，由于电子技术的进步，超声波流量计发展很快，且日益完善，越来越显示出其优越性。各种超声波流量计已广泛应用于工业生产、商业计量和水利检测等方面，例如，在市政行业的原水、自来水、中水、污水的计量中，超声波流量计具有大量程比，无压损的特点，在保证测量准确度的同时提高了官网的输水效率；在工业冷却循环水的计量中，超声波流量计实现了在线不断流带压安装和在线标定。

6 结束语

综上所述，超声波流量计作为流量测量仪表，有其独特的优点，在很多领域得到了越来越广泛的应用，特别是智能化超声波流量计，采用微处理器和程序控制，且带通讯接口、功能更强、编程方便，因而具有更强的生命力。但是不论其如何发展，如果设计选型及安装不当，不仅无法发挥其优越性，还会带来损失。因此，在实际应用中，超声波流量计的正确选型及安装是极为重要的两个环节，必须引起我们的重视。

［1］高魁明.热工测量仪表[M].2版.冶金出版社,2006.

［2］徐英华,杨有涛.流量及分析仪表[M].中国计量出版社,2008.