超聲波流量計:檢測流體量污水處理污濁液體的流量-中文百科頻道

特點功能

特點

◆獨特的信号數字化處理技術，使儀表測量信号更穩定、抗幹擾能力強、計量更準确。

◆無機械傳動部件不容易損壞，免維護，壽命長。

◆電路更優化、集成度高、功耗低、可靠性高。

◆智能化标準信号輸出，人機界面友好、多種二次信号輸出，供您任意選擇。

◆管段式小管徑測量經濟又方便，測量精度高。

概況

傳播時間法應用于清潔、單相液體和氣體。典型應用有工廠排放液、:怪液、液化天然氣等;

氣體應用方面在高壓天然氣領域已有使用良好的經驗;

環境

多普勒法适用于異相含量不太高的雙相流體,例如:未處理污水、工廠排放液、髒流程液;通常不适用于非常清潔的液體。

注意事項

超聲波流量計正确選型才能保證超聲波流量計更好的使用。選用什麼種類的超聲波流量計應根據被測流體介質的物理性質和化學性質來決定，使超聲波流量計的通徑、流量範圍、襯裡材料、電極材料和輸出電流等都能适應被測流體的性質和流量測量的要求。

1、精密功能檢查

精度等級和功能根據測量要求和使用場合選擇儀表精度等級，做到經濟合算。比如用于貿易結算、産品交接和能源計量的場合，應該選擇精度等級高些，如1.0級、0.5級，或者更高等級;用于過程控制的場合，根據控制要求選擇不同精度等級;有些僅僅是檢測一下過程流量，無需做精确控制和計量的場合，可以選擇精度等級稍低的，如1.5級、2.5級，甚至4.0級，這時可以選用價格低廉的插入式超聲波流量計。

2、可測量的介質

測量介質流速、儀表量程與口徑測量一般的介質時，超聲波流量計的滿度流量可以在測量介質流速0.5—12m/s範圍内選用，範圍比較寬。選擇儀表規格(口徑)不一定與工藝管道相同，應視測量流量範圍是否在流速範圍内确定，即當管道流速偏低，不能滿足流量儀表要求時或者在此流速下測量準确度不能保證時，需要縮小儀表口徑，從而提高管内流速，得到滿意測量結果。

測量原理

設靜止流體中的聲速為c，流體流動的速度為u，傳播距離為L，當聲波與流體流動方向一緻時（即順流方向），其傳播速度為c+u；反之，傳播速度為c-u.在相距為L的兩處分别放置兩組超聲波發生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2）。當T1順方向，T2逆方向發射超聲波時，超聲波分别到達接收器R1和R2所需要的時間為t1和t2,則t1=L/(c+u)t2=L/(c-u)。由于在工業管道中，流體的流速比聲速小的多，即c>>u,因此兩者的時間差為▽t=t2-t1=2Lu/cc由此可知，當聲波在流體中的傳播速度c已知時，隻要測出時間差▽t即可求出流速u，進而可求出流量Q。

利用這個原理進行流量測量的方法稱為時差法。此外還可用相差法、頻差法等。通常采用兩種類型的超聲波流量計，一種為多普勒超聲波流量計，另一類為時差式超聲波流量計。多普勒型是利用相位差法測量流速，即某一已知頻率的聲波在流體中運動，由于液體本身有一運動速度，導緻超聲波在兩接收器（或發射器）之間的頻率或相位發生相對變化，通過測量這一相對變化就可獲得液體速度；時差型是利用時間差法測量流速，即某一速度的聲波由于流體流動而使得其在兩接收器（或發射器）之間傳播時間發生變化，通過測量這一相對變化就可獲得流體流速。采用了時差式超聲波流量計。

超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關法等不同類型的超聲波流量計。起聲波流量計是近十幾年來随着集成電路技術迅速發展才開始應用的一種。超聲檢測(UT）是工業上無損檢測的方法之一。超聲波進入物體遇到缺陷時，一部分聲波會産生反射，發射和接收器可對反射波進行分析，就能異常精确地測出缺陷來．并且能顯示内部缺陷的位置和大小，測定材料厚度等.

相差法

如果超聲波發射器發射連續超聲脈沖或周期較長的脈沖列，則在順流和逆流發射時所接收到的信号之間便要産生相位差▽O,即▽O=w▽t=2wLu/cc式中，w為超聲波角頻率。當測得▽O時即可求出u,進而求得流量Q。此法用測量相位差▽O代替了測量微小的時差▽t，有利于提高測量精度。但存在者聲速c對測量結果的影響。

頻差法

為了消除聲速c的影響，常采用頻差法。由前可知，上、下遊接收器接受到的超聲波的頻率之差為▽f可用下式表示▽f=[（c+u）/L]-[(c-u)/L]=2u/L

由此可知，隻要測得▽f就可求得流量Q，并且此法與聲速無關。超聲波技術及其應用一、沒測量水位概況水電站多采用浮子式液位計或投入式液位計來進行水位測量。其缺點為：測量精度低，不可靠，經常出現浮子卡死不動和傳感器堵塞導緻測不準；維護工作量大，安裝、調試不便，采集到的僅是模拟告警信号，不能直接進入電廠計算機監控系統。對無人值班電廠不實用。

我們對攔污栅水位測量系統進行了反複對比，優化得出最後的方案設計，采用超聲波液位計對栅前、栅後水位進行實時準确監測，超聲波液位計用PLC對采集量進行處理。并且把實時水位和壓差數據送到中控室，超聲波液位計顯示和越限報警。超聲波液位計同時采用RS422/RS232接口，又把實時數據送到大壩集中控制室工控機，處理成計算機通信報文，最終将采集量送到電廠計算機監控系統上位機。

該項目實施後不僅滿足欄污栅栅前、栅後水位及壓差的多點實時監測，及報警功能，而且結束了攔污栅測量系統獨立工作，無法與電廠計算機監控系統通訊的局面。實現與閘門系統的監視功能、控制功能以及故障時ON-CALL尋呼系統功能的集成。滿足了無人值班電站的需要。該技術在雲南省電力系統還是第一家。

超聲波液位計工作時，高頻脈沖聲波由換能器（探頭）發出，遇被測物體（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一換能器（探頭）接收，轉換成電信号。脈沖發送和接收之間的時間（聲波的運動時間）與換能器到物體表面的距離成正比，聲波傳輸的距離S與聲速C和傳輸時間T之間的關系可以用公式表示：S=CⅩT/2

例如：聲速C=344m/s，傳輸時間為50ms，即可算出傳輸的距離為17.2m，測定距離為8.6m。

三．可編程超聲波式攔污栅水位測量系統在田壩電站應用産生的效果

用超聲波液位計測量大壩水位在當今國内尚不普遍，技術上尚無經驗可以借鑒。在這樣的情況下，我們充分利用PLC與超聲波液位計這一領域的先進技術，按照總體規劃，長遠考慮，一次到位，避免重複改造，重複投資的這一原則，對該項目進行自行設計，全面順利地完成了這一課題。在該領域取得了較有價值的經驗。為目前我國國内水電站實現對大壩水位監測系統提供了一個可以借鑒的範例。

分類

超聲波流量計大緻可分傳播速度差法(包括：直接時差法、時差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關法、空間濾波法及噪聲法等類型，其中以噪聲法原理及結構最簡單，便于測量和攜帶，價格便宜但準确度較低，适于在流量測量準确度要求不高的場合使用。由于直接時差法、時差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳報時速度之差來反映流體的流速的，故又統稱為傳播速度差法。

其中頻差法和時差法克服了聲速随流體溫度變化帶來的誤差，準确度較高，所以被廣泛采用。時差法超聲波流量計是在不連續缺陷的尖端産生波型的轉換，當它轉換後産生衍射波，這個衍射波複蓋了較大的角度範圍，那麼衍射波就會檢測出所存在的缺陷，記錄信号的飛越時間就可以測量出缺陷的高度，那麼就可以對缺陷進行定量，缺陷尺寸通常是被定義為衍射信号的飛越時間差，信号波幅與缺陷定量沒有關系。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差撥又分為：Z法(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。

波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向随流體流速變化而産生偏移來反映流體流速的，低流速時，靈敏度很低适用性不大．多普勒法是利用聲學多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來确定流體流量的，适用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。相關法是利用相關技術測量流量，原理上，此法的測量準确度與流體中的聲速無關，因而與流體溫度，濃度等無關，因而測量準确度高，适用範圍廣。但相關器價格貴，線路比較複雜。在微處理機普及應用後，這個缺點可以克服。噪聲法(聽音法)是利用管道内流體流動時産生的噪聲與流體的流速有關的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，設備價格便宜，但準确度低。

安裝介紹

時差式超聲波流量計是當今世界上具競争力的流量測量手段，其測量線精度高于1.0%。由于工業現場特别是管路周圍環境的多樣性，因此，怎樣根據特定的環境安裝調試超聲波流量計，就成了超聲波流量測量領域的一個重要課題，本規程詳解了超聲波流量計的安裝細節，從而進一步完整體現了超聲波流量計的精度、可靠性和穩定性的優勢，大大降低日後的維護工作甚至免維護。

安裝細解

超聲波流量計在安裝之前應了解現場情況，包括：

1．安裝傳感器處距主機距離為多少；

2．管道材質、管壁厚度及管徑；

3．管道年限；

4．流體類型、是否含有雜質、氣泡以及是否滿管；

5．流體溫度；

6．安裝現場是否有幹擾源（如變頻、強磁場等）；

7．主機安放處四季溫度；

8．使用的電源電壓是否穩定；

9．是否需要遠傳信号及種類；

根據以上提供的現場情況，廠家可針對現場情況進行配置，必要情況下也可特制機型。

安裝位置

選擇安裝管段對測試精度影響很大，所選管段應避開幹擾和渦流這兩種對測量精度影響較大的情況，一般選擇管段應滿足下列條件：

1、避免在水泵、大功率電台、變頻，即有強磁場和震動幹擾處安裝機器；

2、選擇管材應均勻緻密，易于超聲波傳輸的管段；

3、要有足夠長的直管段，安裝點上遊直管段必須要大于10D（注：D=直徑），下遊要大于5D；

4、安裝點上遊距水泵應有30D距離；

5、流體應充滿管道；

6、管道周圍要有足夠的空間便于現場人員操作，地下管道需做測試井，測試井如下：

安裝方式

超聲波流量計一般有兩種探頭安裝方式，即Z法和V法。

但是,當D<200mm而現場情況為下列條件之一者,也可采用Z法安裝：

1、當被測量流體濁度高，用V法測量收不到信号或信号很弱時；

2、當管道内壁有襯裡時；

3、當管道使用年限太長且内壁結垢嚴重時；

對于管道條件較好者，即使D稍大于200mm，為了提高測量精度，也可采用V法安裝。

探頭位置

1、将管道參數輸入儀表，選擇探頭安裝方式，得出安裝距離；

2、在水平管道上，一般應選擇管道的中部，避開頂部和底部（頂部可能含有氣泡、底部可能有沉澱）；

3、V法安裝：先确定一個點，按安裝距離在水平位置量出另一個點。

Z法安裝：先确定一個點，按安裝距離在水平位置量出另一個點，然後測出此點在管道另一側的對稱點。

管道處理

确定探頭位置之後，在兩安裝點±100mm範圍内，使用角磨砂輪機、锉、砂紙等工具将管道打磨至光亮平滑無蝕坑。

要求：光澤均勻，無起伏不平，手感光滑圓潤。需要特别注意，打磨點要求與原管道有同樣的弧度，切忌将安裝點打磨成平面，用酒精或汽油等将此範圍擦淨，以利于探頭粘接。

接線

探頭與儀表接線

探頭（傳感器）

探頭根據實際測量管道可分三種：

S型傳感器(15~100mm)

M型傳感器(50~700mm)

L型傳感器(300~6000mm)

微調探頭

接完線後把探頭内部用矽膠注滿，放置半小時，然後用矽膠和卡具把探頭固定到打磨好的管道上（注意探頭方向，引線端向外），然後觀察儀表的信号強度、良度與傳輸時間比，如發現不好，則細微調整探頭位置，直到儀表的信号達到規定的範圍之内：

（信号強度：一般應大于6.5，少數可根據現場具體情況另定。）

（信号良度：低峰值一般為7～14，高峰值一般為25～80。）

（傳輸時間比：在100±4範圍之内，此值必須穩定。）

固定探頭

儀表信号調整好以後，用所配卡具将探頭固定好，注意不要使鋼絲繩傾斜，以免拉動探頭，使探頭移位，再用矽膠将探頭與管道接觸的四周封住。此膠凝固大約需一天時間，在未幹之前必須注意探頭防水。（信号線的外屏蔽線必須可靠接地）。

超聲波流量計主要技術指标：

安裝超聲波流量計可按照以下步驟操作：

一：觀察安裝現場管道是否滿足直管段前10D後5D以及離泵30D的距離。(D為管道内直徑)

二：确認管道内流體介質以及是否滿管。

三：确認管道材質以及壁厚(充分考慮到管道内壁結垢厚度)

四：确認管道使用年限，在使用10左右的管道，即使是碳鋼材質，最好也采用插入式安裝。

五：前四步驟完成後可确認使用何種傳感器安裝

六：開始向表體輸入參數以确定安裝距離。

七：非常重要：精确測量出安裝距離。

八：安裝傳感器——調試信号——做防水——歸整好信号電纜——清理現場線頭等廢棄物——安裝結束——驗收簽字

圖紙分解

包括：測量流動通道6，被測量的流體通過其中流動；超聲波換能器8和9，分别設置在沿測量流動通道6彼此相對的上遊端和下遊端；上遊孔眼11和下遊孔眼12，用于使超聲波換能器8和9暴露于該測量流動通道6；第一流體抑制器15，至少鄰近下遊孔眼12，用于減少被測量的流體流入孔眼12；第二流體抑制器16，被設置在測量流動通道6的上遊端并相對于孔眼11和12，用于減少被測量的流體流入孔眼11和12；測量控制部件19，用于測量超聲波換能器8和9之間的超聲波的傳播時間；及計算部件20，用于根據該測量控制部件19的信号計算流量。

技術優勢

德國FLEXIM超聲波流量計采用了專利的Wave Injector技術，通過在管道與探頭之間架設金屬導波闆，将介質450℃的高溫，降低到200℃以下，實現測量的可能，在石油化工行業、核電行業、導熱油領域有着獨特的應用，并且采用了能量計算功能，可以在測量流量的同時，引入溫度信号，從而獲取能量參數。

管段式傳感器外型尺寸

ZR系列超聲波流量計采用的是時差法測量原理。它的高可靠性是積8年的制造經驗加上博采衆長，通過不斷完善提高得到的；是由于采用了最新的諸如Philips、Tl、美國國家半導體公司的新型高性能集成元器件加上先進的SMD貼裝器件生産線大規模生産實現的。40皮秒（40×10E-12秒）的時間分辨率，0.5%的線性度。低電壓多脈沖原理，保證可靠運行兩路0.1%精度的模拟輸入，接入溫度傳感器電流信号，即變成熱量計！實現中文顯示，軟件開放式設計，所有參數用戶皆可設定；硬件元件參數無關化設計，無需調整即能确保每一台流量計具有完全相同的性能。主機機型有：便攜式、壁挂式、标準盤裝式、手持式、一體式。傳感器具有：方便安裝的外縛式、可靠工作的插入式、高可靠高精度的标準管段式、超高精度的标準型π管段式。

超聲波流量計的主要特點是：流體中不插入任何元件，對流速無影響，也沒有壓力損失；能用于任何液體，特别是具有高黏度、強腐蝕，非導電性等性能的液體的流量測量，也能測量氣體的流量；對于大口徑管道的流量測量，不會因管徑大而增加投資；量程比較寬，可達5：1；輸出與流量之間呈線性等優點。缺點：當被測液體中含有氣泡或有雜音時，将會影響測量精度，故要求變送器前後分别有10D和5D的直管段；此外，結構複雜，成本較高。

超聲波流量計轉換器拆裝及調整介紹

⑴拆卸信号拾取連接器+流量轉換器組合體

①關閉電源。

②用扳手逆時針旋轉松開信号拾取連接器上的M16鎖母。

③用手抓表殼，逆時針旋轉，拆下組合體，注意在旋轉過程中應保持信号拾取連接器與流量轉換器之間的螺紋連接緊固性。

⑵拆裝信号拾取連接器與流量轉換器

①确保電源已關閉并處在安全的區域。

②拆卸時，逆時針擰開前表蓋，“拆卸電路闆”介紹的步驟拆下電路闆組件。拔下插在電路闆上的信号線插頭，用扳手逆時針旋轉信号拾取連接器，将其與流量轉換器分離。

③組裝時，順時針将信号拾取連接器擰在流量轉換器的對應螺紋處，注意應正對螺紋，擰上後适當用力，用肉眼觀察無明顯細縫，密封性完好。逆時針擰開前表蓋，按照中“拆卸電路闆”介紹的步驟拆下電路闆組件。将信号拾取器引出的插頭插在電路闆對應的插座上。再按照“裝配電路闆”介紹的步驟，将電路闆固定在流量轉換器的表殼上。順時針擰上前表蓋。

超聲波流量計安裝要求介紹

高溫型（80度至500度）、常溫型（-20度至70度）、低溫型（-20至-200度）流量計的安裝：

a、常溫型、低溫型、高溫型流量計視不同工況采用水平、垂直或倒置式安裝（以出廠校驗單為準）；b、介質工作溫度在300度以上時，用戶應對流量計殼體采取隔熱措施防止熱輻射損壞表頭(表頭工作溫度為-30至70度)，同理工作溫度-100度以下的介質，也要采取防凍措施；c、為保證流量計準确計量，要求設置前後直管段；）d、為保證流量計在檢查及更換時不影響系統工作，應盡量設置旁通閥（3）及切斷閥（1、2）；e、因工藝需要可采用垂直安裝，被測介質流向可由下至上，也可由上至下，但訂購時應向供貨方說明；f、流量計口徑與相連的管道口徑尺寸盡量相同，以減少流動幹擾，造成計量誤差

2、流量計設置零點（流量計安裝後必須先置零操作）由于電容式力傳感器及阻流件有自重，在流量計安裝時不在水平方位狀況下，需要重新設置流量計零點。操作程序為：（也可在管道内無介質流動時直接置零，高溫型及低溫型流量計必須使管道内溫度達到工作溫度後置零）a、關閉流量計下遊的閥門；b、緩慢打開流量計上遊閥門，使流量計充滿介質；c、緩慢打開流量計下遊閥門，使流量計運行10分鐘左右；d、關閉流量計上、下遊閥門，并确定管道内流量為零；e、置零按鍵操作（必須用無任何磁性的工具操作置零鍵，否則置零鍵可能無法操。