超声波流量计:检测流体量污水处理污浊液体的流量-中文百科频道

特点功能

特点

◆独特的信号数字化处理技术，使仪表测量信号更稳定、抗干扰能力强、计量更准确。

◆无机械传动部件不容易损坏，免维护，寿命长。

◆电路更优化、集成度高、功耗低、可靠性高。

◆智能化标准信号输出，人机界面友好、多种二次信号输出，供您任意选择。

◆管段式小管径测量经济又方便，测量精度高。

概况

传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、:怪液、液化天然气等;

气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验;

环境

多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体,例如:未处理污水、工厂排放液、脏流程液;通常不适用于非常清洁的液体。

注意事项

超声波流量计正确选型才能保证超声波流量计更好的使用。选用什么种类的超声波流量计应根据被测流体介质的物理性质和化学性质来决定，使超声波流量计的通径、流量范围、衬里材料、电极材料和输出电流等都能适应被测流体的性质和流量测量的要求。

1、精密功能检查

精度等级和功能根据测量要求和使用场合选择仪表精度等级，做到经济合算。比如用于贸易结算、产品交接和能源计量的场合，应该选择精度等级高些，如1.0级、0.5级，或者更高等级;用于过程控制的场合，根据控制要求选择不同精度等级;有些仅仅是检测一下过程流量，无需做精确控制和计量的场合，可以选择精度等级稍低的，如1.5级、2.5级，甚至4.0级，这时可以选用价格低廉的插入式超声波流量计。

2、可测量的介质

测量介质流速、仪表量程与口径测量一般的介质时，超声波流量计的满度流量可以在测量介质流速0.5—12m/s范围内选用，范围比较宽。选择仪表规格(口径)不一定与工艺管道相同，应视测量流量范围是否在流速范围内确定，即当管道流速偏低，不能满足流量仪表要求时或者在此流速下测量准确度不能保证时，需要缩小仪表口径，从而提高管内流速，得到满意测量结果。

测量原理

设静止流体中的声速为c，流体流动的速度为u，传播距离为L，当声波与流体流动方向一致时（即顺流方向），其传播速度为c+u；反之，传播速度为c-u.在相距为L的两处分别放置两组超声波发生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2）。当T1顺方向，T2逆方向发射超声波时，超声波分别到达接收器R1和R2所需要的时间为t1和t2,则t1=L/(c+u)t2=L/(c-u)。由于在工业管道中，流体的流速比声速小的多，即c>>u,因此两者的时间差为▽t=t2-t1=2Lu/cc由此可知，当声波在流体中的传播速度c已知时，只要测出时间差▽t即可求出流速u，进而可求出流量Q。

利用这个原理进行流量测量的方法称为时差法。此外还可用相差法、频差法等。通常采用两种类型的超声波流量计，一种为多普勒超声波流量计，另一类为时差式超声波流量计。多普勒型是利用相位差法测量流速，即某一已知频率的声波在流体中运动，由于液体本身有一运动速度，导致超声波在两接收器（或发射器）之间的频率或相位发生相对变化，通过测量这一相对变化就可获得液体速度；时差型是利用时间差法测量流速，即某一速度的声波由于流体流动而使得其在两接收器（或发射器）之间传播时间发生变化，通过测量这一相对变化就可获得流体流速。采用了时差式超声波流量计。

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。超声检测(UT）是工业上无损检测的方法之一。超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来．并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等.

相差法

如果超声波发射器发射连续超声脉冲或周期较长的脉冲列，则在顺流和逆流发射时所接收到的信号之间便要产生相位差▽O,即▽O=w▽t=2wLu/cc式中，w为超声波角频率。当测得▽O时即可求出u,进而求得流量Q。此法用测量相位差▽O代替了测量微小的时差▽t，有利于提高测量精度。但存在者声速c对测量结果的影响。

频差法

为了消除声速c的影响，常采用频差法。由前可知，上、下游接收器接受到的超声波的频率之差为▽f可用下式表示▽f=[（c+u）/L]-[(c-u)/L]=2u/L

由此可知，只要测得▽f就可求得流量Q，并且此法与声速无关。超声波技术及其应用一、没测量水位概况水电站多采用浮子式液位计或投入式液位计来进行水位测量。其缺点为：测量精度低，不可靠，经常出现浮子卡死不动和传感器堵塞导致测不准；维护工作量大，安装、调试不便，采集到的仅是模拟告警信号，不能直接进入电厂计算机监控系统。对无人值班电厂不实用。

我们对拦污栅水位测量系统进行了反复对比，优化得出最后的方案设计，采用超声波液位计对栅前、栅后水位进行实时准确监测，超声波液位计用PLC对采集量进行处理。并且把实时水位和压差数据送到中控室，超声波液位计显示和越限报警。超声波液位计同时采用RS422/RS232接口，又把实时数据送到大坝集中控制室工控机，处理成计算机通信报文，最终将采集量送到电厂计算机监控系统上位机。

该项目实施后不仅满足栏污栅栅前、栅后水位及压差的多点实时监测，及报警功能，而且结束了拦污栅测量系统独立工作，无法与电厂计算机监控系统通讯的局面。实现与闸门系统的监视功能、控制功能以及故障时ON-CALL寻呼系统功能的集成。满足了无人值班电站的需要。该技术在云南省电力系统还是第一家。

超声波液位计工作时，高频脉冲声波由换能器（探头）发出，遇被测物体（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一换能器（探头）接收，转换成电信号。脉冲发送和接收之间的时间（声波的运动时间）与换能器到物体表面的距离成正比，声波传输的距离S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=CⅩT/2

例如：声速C=344m/s，传输时间为50ms，即可算出传输的距离为17.2m，测定距离为8.6m。

三．可编程超声波式拦污栅水位测量系统在田坝电站应用产生的效果

用超声波液位计测量大坝水位在当今国内尚不普遍，技术上尚无经验可以借鉴。在这样的情况下，我们充分利用PLC与超声波液位计这一领域的先进技术，按照总体规划，长远考虑，一次到位，避免重复改造，重复投资的这一原则，对该项目进行自行设计，全面顺利地完成了这一课题。在该领域取得了较有价值的经验。为目前我国国内水电站实现对大坝水位监测系统提供了一个可以借鉴的范例。

分类

超声波流量计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型，其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。

其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。时差法超声波流量计是在不连续缺陷的尖端产生波型的转换，当它转换后产生衍射波，这个衍射波复盖了较大的角度范围，那么衍射波就会检测出所存在的缺陷，记录信号的飞越时间就可以测量出缺陷的高度，那么就可以对缺陷进行定量，缺陷尺寸通常是被定义为衍射信号的飞越时间差，信号波幅与缺陷定量没有关系。按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。

波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大．多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。

安装介绍

时差式超声波流量计是当今世界上具竞争力的流量测量手段，其测量线精度高于1.0%。由于工业现场特别是管路周围环境的多样性，因此，怎样根据特定的环境安装调试超声波流量计，就成了超声波流量测量领域的一个重要课题，本规程详解了超声波流量计的安装细节，从而进一步完整体现了超声波流量计的精度、可靠性和稳定性的优势，大大降低日后的维护工作甚至免维护。

安装细解

超声波流量计在安装之前应了解现场情况，包括：

1．安装传感器处距主机距离为多少；

2．管道材质、管壁厚度及管径；

3．管道年限；

4．流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管；

5．流体温度；

6．安装现场是否有干扰源（如变频、强磁场等）；

7．主机安放处四季温度；

8．使用的电源电压是否稳定；

9．是否需要远传信号及种类；

根据以上提供的现场情况，厂家可针对现场情况进行配置，必要情况下也可特制机型。

安装位置

选择安装管段对测试精度影响很大，所选管段应避开干扰和涡流这两种对测量精度影响较大的情况，一般选择管段应满足下列条件：

1、避免在水泵、大功率电台、变频，即有强磁场和震动干扰处安装机器；

2、选择管材应均匀致密，易于超声波传输的管段；

3、要有足够长的直管段，安装点上游直管段必须要大于10D（注：D=直径），下游要大于5D；

4、安装点上游距水泵应有30D距离；

5、流体应充满管道；

6、管道周围要有足够的空间便于现场人员操作，地下管道需做测试井，测试井如下：

安装方式

超声波流量计一般有两种探头安装方式，即Z法和V法。

但是,当D<200mm而现场情况为下列条件之一者,也可采用Z法安装：

1、当被测量流体浊度高，用V法测量收不到信号或信号很弱时；

2、当管道内壁有衬里时；

3、当管道使用年限太长且内壁结垢严重时；

对于管道条件较好者，即使D稍大于200mm，为了提高测量精度，也可采用V法安装。

探头位置

1、将管道参数输入仪表，选择探头安装方式，得出安装距离；

2、在水平管道上，一般应选择管道的中部，避开顶部和底部（顶部可能含有气泡、底部可能有沉淀）；

3、V法安装：先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点。

Z法安装：先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点，然后测出此点在管道另一侧的对称点。

管道处理

确定探头位置之后，在两安装点±100mm范围内，使用角磨砂轮机、锉、砂纸等工具将管道打磨至光亮平滑无蚀坑。

要求：光泽均匀，无起伏不平，手感光滑圆润。需要特别注意，打磨点要求与原管道有同样的弧度，切忌将安装点打磨成平面，用酒精或汽油等将此范围擦净，以利于探头粘接。

接线

探头与仪表接线

探头（传感器）

探头根据实际测量管道可分三种：

S型传感器(15~100mm)

M型传感器(50~700mm)

L型传感器(300~6000mm)

微调探头

接完线后把探头内部用硅胶注满，放置半小时，然后用硅胶和卡具把探头固定到打磨好的管道上（注意探头方向，引线端向外），然后观察仪表的信号强度、良度与传输时间比，如发现不好，则细微调整探头位置，直到仪表的信号达到规定的范围之内：

（信号强度：一般应大于6.5，少数可根据现场具体情况另定。）

（信号良度：低峰值一般为7～14，高峰值一般为25～80。）

（传输时间比：在100±4范围之内，此值必须稳定。）

固定探头

仪表信号调整好以后，用所配卡具将探头固定好，注意不要使钢丝绳倾斜，以免拉动探头，使探头移位，再用硅胶将探头与管道接触的四周封住。此胶凝固大约需一天时间，在未干之前必须注意探头防水。（信号线的外屏蔽线必须可靠接地）。

超声波流量计主要技术指标：

安装超声波流量计可按照以下步骤操作：

一：观察安装现场管道是否满足直管段前10D后5D以及离泵30D的距离。(D为管道内直径)

二：确认管道内流体介质以及是否满管。

三：确认管道材质以及壁厚(充分考虑到管道内壁结垢厚度)

四：确认管道使用年限，在使用10左右的管道，即使是碳钢材质，最好也采用插入式安装。

五：前四步骤完成后可确认使用何种传感器安装

六：开始向表体输入参数以确定安装距离。

七：非常重要：精确测量出安装距离。

八：安装传感器——调试信号——做防水——归整好信号电缆——清理现场线头等废弃物——安装结束——验收签字

图纸分解

包括：测量流动通道6，被测量的流体通过其中流动；超声波换能器8和9，分别设置在沿测量流动通道6彼此相对的上游端和下游端；上游孔眼11和下游孔眼12，用于使超声波换能器8和9暴露于该测量流动通道6；第一流体抑制器15，至少邻近下游孔眼12，用于减少被测量的流体流入孔眼12；第二流体抑制器16，被设置在测量流动通道6的上游端并相对于孔眼11和12，用于减少被测量的流体流入孔眼11和12；测量控制部件19，用于测量超声波换能器8和9之间的超声波的传播时间；及计算部件20，用于根据该测量控制部件19的信号计算流量。

技术优势

德国FLEXIM超声波流量计采用了专利的Wave Injector技术，通过在管道与探头之间架设金属导波板，将介质450℃的高温，降低到200℃以下，实现测量的可能，在石油化工行业、核电行业、导热油领域有着独特的应用，并且采用了能量计算功能，可以在测量流量的同时，引入温度信号，从而获取能量参数。

管段式传感器外型尺寸

ZR系列超声波流量计采用的是时差法测量原理。它的高可靠性是积8年的制造经验加上博采众长，通过不断完善提高得到的；是由于采用了最新的诸如Philips、Tl、美国国家半导体公司的新型高性能集成元器件加上先进的SMD贴装器件生产线大规模生产实现的。40皮秒（40×10E-12秒）的时间分辨率，0.5%的线性度。低电压多脉冲原理，保证可靠运行两路0.1%精度的模拟输入，接入温度传感器电流信号，即变成热量计！实现中文显示，软件开放式设计，所有参数用户皆可设定；硬件元件参数无关化设计，无需调整即能确保每一台流量计具有完全相同的性能。主机机型有：便携式、壁挂式、标准盘装式、手持式、一体式。传感器具有：方便安装的外缚式、可靠工作的插入式、高可靠高精度的标准管段式、超高精度的标准型π管段式。

超声波流量计的主要特点是：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优点。缺点：当被测液体中含有气泡或有杂音时，将会影响测量精度，故要求变送器前后分别有10D和5D的直管段；此外，结构复杂，成本较高。

超声波流量计转换器拆装及调整介绍

⑴拆卸信号拾取连接器+流量转换器组合体

①关闭电源。

②用扳手逆时针旋转松开信号拾取连接器上的M16锁母。

③用手抓表壳，逆时针旋转，拆下组合体，注意在旋转过程中应保持信号拾取连接器与流量转换器之间的螺纹连接紧固性。

⑵拆装信号拾取连接器与流量转换器

①确保电源已关闭并处在安全的区域。

②拆卸时，逆时针拧开前表盖，“拆卸电路板”介绍的步骤拆下电路板组件。拔下插在电路板上的信号线插头，用扳手逆时针旋转信号拾取连接器，将其与流量转换器分离。

③组装时，顺时针将信号拾取连接器拧在流量转换器的对应螺纹处，注意应正对螺纹，拧上后适当用力，用肉眼观察无明显细缝，密封性完好。逆时针拧开前表盖，按照中“拆卸电路板”介绍的步骤拆下电路板组件。将信号拾取器引出的插头插在电路板对应的插座上。再按照“装配电路板”介绍的步骤，将电路板固定在流量转换器的表壳上。顺时针拧上前表盖。

超声波流量计安装要求介绍

高温型（80度至500度）、常温型（-20度至70度）、低温型（-20至-200度）流量计的安装：

a、常温型、低温型、高温型流量计视不同工况采用水平、垂直或倒置式安装（以出厂校验单为准）；b、介质工作温度在300度以上时，用户应对流量计壳体采取隔热措施防止热辐射损坏表头(表头工作温度为-30至70度)，同理工作温度-100度以下的介质，也要采取防冻措施；c、为保证流量计准确计量，要求设置前后直管段；）d、为保证流量计在检查及更换时不影响系统工作，应尽量设置旁通阀（3）及切断阀（1、2）；e、因工艺需要可采用垂直安装，被测介质流向可由下至上，也可由上至下，但订购时应向供货方说明；f、流量计口径与相连的管道口径尺寸尽量相同，以减少流动干扰，造成计量误差

2、流量计设置零点（流量计安装后必须先置零操作）由于电容式力传感器及阻流件有自重，在流量计安装时不在水平方位状况下，需要重新设置流量计零点。操作程序为：（也可在管道内无介质流动时直接置零，高温型及低温型流量计必须使管道内温度达到工作温度后置零）a、关闭流量计下游的阀门；b、缓慢打开流量计上游阀门，使流量计充满介质；c、缓慢打开流量计下游阀门，使流量计运行10分钟左右；d、关闭流量计上、下游阀门，并确定管道内流量为零；e、置零按键操作（必须用无任何磁性的工具操作置零键，否则置零键可能无法操。