超聲波流量計的選型及應用
近幾年來(lái)，隨著(zhù)電子技術(shù)、數字技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快，基于不同原理，適用于不同場(chǎng)合的各種型式的超聲波流量計得到了廣泛應用，同時(shí)也對廣大用戶(hù)提出如何認識超聲波流量計、怎樣選擇合適的類(lèi)型，使用中應注意些什么問(wèn)題等一系列問(wèn)題，本文綜合國內超聲波流量計目前的發(fā)展情況及多年應用的實(shí)踐，對上述問(wèn)題進(jìn)行了些探討。
1 超聲波流量計的分類(lèi)
超聲波流量計的各類(lèi)很多，依照不同的分類(lèi)方法，可以分為不******型的超聲波流量計。
1.1 多譜勒式超聲波流量計
如圖1，換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號，經(jīng)過(guò)管道內液體中的懸浮顆?；驓馀莺?，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒將就，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。
設流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v，即
所以流體流速
當管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過(guò)測量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。
1.2時(shí)差式超聲波流量計
時(shí)差式超聲波流量計是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來(lái)測量流體流量的。
如圖2，換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號，這是順流方向，其傳播時(shí)間為
反之，逆流方向的傳播時(shí)間為：
時(shí)間差為：
由于c>>v，故
所以，流體流速
同樣，c、L、θ均為常數，測得時(shí)間差△t即可求出流體流速v進(jìn)而求得流體流量。
2 區別
根據超聲波流量計使用場(chǎng)合不同，可以分為固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計。
2.1這兩類(lèi)超聲波流量計的主要區別
(1)適用的場(chǎng)合不同
固定式超聲波流量計用于安裝在某一固定位置，對某一特定管道內流體的流量進(jìn)行長(cháng)期不間斷的計量；便攜式超聲波流量計具有很大的機動(dòng)性，主要用于對不同管道的流體流量作臨時(shí)性測量。
(2)供電方式不同
固定式超聲波流量計要求長(cháng)期連續運行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計既可以使用現場(chǎng)的交流電源，也備有內置充電電池，可以連續工作5～10h［小時(shí)］，大大方便了不同場(chǎng)合臨時(shí)性流量測量的需要。
(3)部分功能不同
因定式超聲波流量計，通常都有4-20mA信號輸出等功能，供遠傳顯示使用，但其內部只能存貯一條管道的參數；便攜式超聲波流量計只是為了現場(chǎng)查看當時(shí)流量和短時(shí)間內的累計流量，故一般無(wú)輸出信號功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時(shí)存貯數十條不同管道的參數，供隨時(shí)調出使用。
2.2 換能器供電方式不同
可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計。
(1)外貼式
外貼式超聲波流量計是生產(chǎn)***早，用戶(hù)***熟悉且應用***廣泛的超聲波流量計，安裝換能器無(wú)需管道斷流，即貼即用，它充分體現了超聲波流量計安裝簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。
(2)管段式
某些管道因材質(zhì)疏、導聲不良，或者銹蝕嚴重，襯里和管道內空間有間隙等原因，導致超聲波信號衰減嚴重，用外貼式超聲波流量計無(wú)法正常測量，所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計。
管段式超聲波流量計把換能器和測量管組成一體，解決了外貼式流量計在測量中的一個(gè)難題。而且測量精度也比其它超聲波流量計要高，但同時(shí)也犧牲了外貼式超聲波流量計不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn)，要求切開(kāi)管道安裝換能器。
(3)插入式
插入式超聲波流量計 介于上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用專(zhuān)門(mén)工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內，完成安裝。由于換能器在管道內，其信號的發(fā)射、接受只經(jīng)過(guò)被測介質(zhì)，而不經(jīng)過(guò)管壁和襯里，所以其測量不受管質(zhì)和管襯材料限制。
3 超聲波流量計的選型
超聲波流量計除上述各種類(lèi)型外，近年來(lái)又出現了采用數字化電路的數字式超聲波流量計，把換能器和轉換器做在一起的一體式超聲波流量計，等等。面對眾多類(lèi)型的超聲波流量計，用戶(hù)要根據實(shí)際情況和測量需要合理選型。
3.1多譜勒式超聲波流量計
只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆?；驓馀莸牧黧w，如工廠(chǎng)排放液、未處理的污水、雜志含量穩定的工廠(chǎng)過(guò)程液等。要注意它對被測介質(zhì)要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時(shí)雜技含量要相對穩定，才可以正常測量，而且不同廠(chǎng)家的儀表性能及對被測廠(chǎng)家的要求也不一樣。選擇此類(lèi)超聲波流量計即要對被測介質(zhì)心中有數，也要對所選用的超聲波流量計的性能、精度和對被測介質(zhì)的要求有深入的了解。
3.2便攜式超聲波流量計
適用于臨時(shí)性測量，主要用于校對管道上已安裝其它流量?jì)x表的運行狀態(tài)，進(jìn)行一個(gè)區域內的流體平衡測試 ，檢查管道的當時(shí)流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時(shí)，選用便攜式超聲波流量計既方便又經(jīng)濟。
3.3時(shí)差式超聲波流量計
目前生產(chǎn)***多、應用范圍***廣泛的是時(shí)差式超聲波流量計。它主要用來(lái)測量潔凈的流體流量，在自來(lái)水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應用。此外它也可以測量雜技含量不高(雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm)的均勻流體，如污水等介質(zhì)的流量，而且精度可達±1.5%。實(shí)際應用表明，選用時(shí)差式超聲波流量計，對相應流體的測量都可以達到滿(mǎn)意的效果。
3.4管道式超聲波流量計
精度***高，可達到±0.5%，而且不受管道材質(zhì)、襯里的限制，適用于流量測量精度要求高的場(chǎng)合。但隨著(zhù)管徑的增大，成本也會(huì )隨增加，通常情況下，選用中*********的管段式超聲波流量計，較為經(jīng)濟。
3.5固定式超聲波流量計
如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，******消除了管襯、結垢及管壁對超聲波信號衰減的影響，測量穩定性更高，也大大減小了維護工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應用正在不斷推廣。
有的廠(chǎng)家推出了內部為數字化電路的超聲波流量計，其特點(diǎn)是采用數字電路處理信號，糾錯能力增強，取樣及時(shí)，精度提高(模擬電路的精度為±1.5%，數字電路可以達到±1.0%)，而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號輸出模式供選擇，在實(shí)際應用也取得了很好的效果。用戶(hù)在使用中可以和模擬電路的超聲波流量計進(jìn)行比較。
超聲波流量計的功能選擇，用戶(hù)可以根據實(shí)際情況來(lái)確定。如果測量雙向流體，一定要選擇帶有正負計量功能的超聲波流量計；如果用戶(hù)需要定期了解流體在一定時(shí)段有流量情況，可以選擇帶打印機的超聲波流量計?？傊?，所選擇的超聲波流量計的功能既要滿(mǎn)足用戶(hù)需要，也不必貪多求全，造成許多功能閉置不用，而增加購買(mǎi)成本。
4 超聲波流量計的應用
超聲波流量計在應用中，需要注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：
4.1 正確選擇
這是超聲波流量計能夠正常工作的基礎。如果選型不當，或會(huì )造成流量無(wú)法測量，或者用戶(hù)使用不做便等后果。具體選型原則，前面已做了詳細的介紹。
4.2 合理安裝
換能器安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個(gè)問(wèn)題。確定位置時(shí)除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開(kāi)有變頻調速?lài)?、電焊機等污染電源的場(chǎng)合。在安裝方式上，主要有對貼安裝方式和V方式、Z方式三種，如圖3。多譜勒式超聲波流量計采用對貼式安裝方式，時(shí)差式超聲波流量計采用V方式和Z方式，通常情況下，管徑小于300mm時(shí)，采用V方式安裝， 管徑大于200mm時(shí)，采用Z方式安裝。對于即可以用V方式安裝又可以方式安裝的換能器，盡量選用Z方式。實(shí)踐表明，Z方式安裝的換能器超聲波信號強度高，測量的穩定性也好。
4.3 及時(shí)核校
對于現場(chǎng)安裝固定式超聲波流量計數量大、范圍廣的用戶(hù)，可以配備一臺******型的便攜式超聲波流量計，用于核?，F場(chǎng)儀表的情況。一是堅持一裝一校，即對每一臺新裝超聲波流量計在安裝調試時(shí)進(jìn)行核校，確保選位好、安裝好、測量準；二是對在線(xiàn)運行的超聲波流量計發(fā)生流量突變時(shí)，要利用便攜式超聲波流量計進(jìn)行及時(shí)核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實(shí)發(fā)生了變化。
4.4 定期維護
與其他流量?jì)x表相比，超聲波流量計的維護量是比較小的。對于外貼換能器超聲波流量計，安裝以后無(wú)水壓損失，無(wú)潛在漏水，只需定期檢查換能器是否松動(dòng)，與管道之間的粘合劑是否良好即可；插入式超聲波流量計，要定期清理探頭上沉積的雜質(zhì)、水垢等有無(wú)漏水現象；如果是一體式超聲波流量計，要檢查流量計與管道之間的法蘭鏈接是否良好，并考慮現場(chǎng)溫度和濕度對其電子部件的影響，等待。定期維護可以確保超聲波流量計的長(cháng)期穩定運行。