外夾式超聲波流量計(jì)測(cè)量原理與發(fā)展現(xiàn)狀

0 引言

    超聲波流量計(jì)具有非接觸式測(cè)量、低壓損、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于石油化工等行業(yè)的流量計(jì)量，特別適用于大口徑管道、非導(dǎo)電性流量測(cè)量。

    1 超聲波流量計(jì)的基本測(cè)量原理

    超聲波流量計(jì)利用超聲波在流體的順流和逆流中不同的傳播速度來(lái)測(cè)量，測(cè)量原理圖見(jiàn)圖1。最常見(jiàn)的有時(shí)差法、速差法和頻差法。

圖1 超聲流量計(jì)測(cè)量原理示意圖

    時(shí)差法：

    速差法：

    頻差法：

    式中，L是A、B換能器的直線距離，θ是流體流向與超聲波路徑的夾角。

    因?yàn)槁曀賑受溫度的影響不容易忽略，而式（5）中頻差與流速v成正比，且不含聲速c，測(cè)量結(jié)果不受溫度影響，所以頻差法更為簡(jiǎn)單實(shí)用。也有專(zhuān)門(mén)利用管段內(nèi)流體的溫度分布隨流體流動(dòng)而改變，溫度分布又引起聲速變化這一特點(diǎn)研發(fā)的超聲波流量計(jì)。

    因?yàn)橐话懔魉傧拢樍骱湍媪鞯臅r(shí)間差取決于管徑的大小，只有幾百納秒到幾微秒，所以高精度的時(shí)差、頻差的測(cè)量方法與超聲波流量計(jì)測(cè)量精度關(guān)系緊密，例如荷蘭Instroment公司采用了高速數(shù)字處理電路技術(shù)，能檢測(cè)出微秒級(jí)的微小時(shí)間差，計(jì)時(shí)精度達(dá)到納秒級(jí)。

    2 外夾式超聲波流量計(jì)的選型和安裝

    根據(jù)換能器的安裝方式不同，超聲波流量計(jì)可以分為：外夾式、管段式和插入式。外夾式超聲波流量計(jì)，是指將換能器貼在管道外側(cè)的超聲波流量計(jì)。這種安裝方式是超聲波流量計(jì)的三種換能器安裝方式中，安裝和維護(hù)最為方便的一種，但是換能器信號(hào)的發(fā)射和接收信號(hào)通道最復(fù)雜，必須通過(guò)管道、（襯里）和流體介質(zhì)，測(cè)量精度也相對(duì)較低。

    2.1 選型注意事項(xiàng)

    儀表的選型是儀表應(yīng)用中非常重要的工作，超聲波流量計(jì)選型要特別注意收集以下方面的信息：

    2.1.1　基本信息

    被測(cè)流體名稱(chēng)；最大流量、最小流量；最高溫度、最低溫度；管道材料；管道內(nèi)襯材料；管外徑D（或管壁厚度），管內(nèi)徑。

    2.1.2 防護(hù)等級(jí)選擇

    一般有IP65和IP68兩種。IP65是防噴水型，在使用中能承受一定壓力和出水量的水柱噴射。IP68是潛水型，可以長(zhǎng)期工作在水中。

    2.1.3 測(cè)量點(diǎn)的選擇

    1）測(cè)量位置應(yīng)選在探頭上游大于10D和下游大于5D，充滿液體的直管段處；

    2）測(cè)量點(diǎn)選擇應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離泵、閥門(mén)等設(shè)備，避免干擾。原因同上，因要盡可能測(cè)量平直流體，避免紊流帶來(lái)的測(cè)量誤差；

    3）測(cè)量點(diǎn)選擇應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離大功率電臺(tái)，強(qiáng)磁場(chǎng)干擾源等；

    4）管路管材應(yīng)均勻密實(shí)，易于超聲波傳播；

    5）充分考慮管內(nèi)結(jié)垢狀況，盡可能選擇無(wú)結(jié)垢的管段進(jìn)行測(cè)量。

    2.2 安裝注意事項(xiàng)

    1）必須把待安裝換能器的金屬管道表面打磨3倍探頭面積，去掉銹跡油漆，使管壁表面光滑平整，露出管道金屬的原有表面并保持原有弧度；

    2）換能器的信號(hào)屏蔽線可懸空，但不能與正、負(fù)端短路；

    3）換能器與管道接觸部分要用耦合劑密封，防止空氣、沙塵和銹跡進(jìn)入；

    4）夾具應(yīng)固定在換能器的中心部分，使之不易滑動(dòng)。

    3 外夾式超聲波流量計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀

    超聲波的特點(diǎn)之一是傳播衰減大，氣體吸收超聲波能量的能力最強(qiáng)，其次是液體和固體。故單一流體的超聲波流量計(jì)中，外夾式氣體超聲波流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量精度一般都不高。為了提高測(cè)量的精度和信號(hào)強(qiáng)度，有些超聲波流量計(jì)采取了多通道測(cè)量方法，利用多通道的測(cè)量數(shù)據(jù)根據(jù)權(quán)值計(jì)算平均流速。還有些超聲波流量計(jì)采用了寬束技術(shù)。該技術(shù)是由換能器發(fā)出較寬頻率范圍的聲束對(duì)管道壁進(jìn)行掃描和搜索，使管道變成了換能器的一部分，使聲束能更大面積地覆蓋被測(cè)介質(zhì)的橫截面。有資料顯示寬束技術(shù)可以用較少的聲道便可得到很高的穩(wěn)定性和重復(fù)性，可測(cè)最小管徑能達(dá)到6.35mm。

    德國(guó)E+H、美國(guó)康樂(lè)創(chuàng)等公司，在超聲波流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先水平。在MICONEX2004上，康樂(lè)創(chuàng)展出的1010GC外夾式超聲流量計(jì)就可用于氣體流量測(cè)量，其精確度優(yōu)于±0.5%。目前國(guó)內(nèi)外夾式超聲波流量計(jì)雖然在液體流量測(cè)量上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，一般測(cè)量精度能優(yōu)于±1.0%。但是我國(guó)在氣體超聲波流量測(cè)量和測(cè)量精度方面差距尚大。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    外夾式超聲波流量計(jì)是超聲波流量計(jì)使用優(yōu)點(diǎn)的最突出代表，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)量精度的不斷提高，外夾式超聲波流量計(jì)必將會(huì)被越來(lái)越廣泛應(yīng)用。因此了解并把握外夾式超聲波流量計(jì)性能特點(diǎn)，有利于更好地應(yīng)用它為工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量服務(wù)。