超聲流量計(jì)的分類及選型

一 概述

近幾年來，基于不同原理，適用于不同場合的各種形式的超聲流量計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)廣大用戶提出了如何認(rèn)識(shí)超聲流量計(jì)、怎樣選擇合適的類型、使用中應(yīng)注意些什么等一系列問題。本文綜合國內(nèi)超聲流量計(jì)目前的發(fā)展情況及多年應(yīng)用的實(shí)踐，對(duì)上述問題進(jìn)行了一些探討。

二 超聲流量計(jì)的分類

1 按使用原理分類

（1）多譜勒式超聲流量計(jì)

多譜勒式超聲流量計(jì)是利用多譜勒效應(yīng)原理來測量流體流量的。

如圖1所示，換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號(hào)，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒效應(yīng)，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。

設(shè)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(dāng)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(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。

（2）時(shí)差式超聲流量計(jì)

時(shí)差式超聲流量計(jì)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測量流體流量的。

如圖2所示，換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號(hào)，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、q均為常數(shù)，測得時(shí)間差Δt即可求出流體流速v，進(jìn)而求得流體流量。

2 按使用場合分類

根據(jù)超聲流量計(jì)使用場合不同，可以分為固定式超聲流量計(jì)和便攜式超聲流量計(jì)。

這兩類超聲流量計(jì)的主要區(qū)別在于：

（1）適用的場合不同

固定式超聲流量計(jì)安裝在某一固定位置，對(duì)某一特定管道內(nèi)流體的流量進(jìn)行長期不間斷計(jì)量；便攜式超聲流量計(jì)具有很大的機(jī)動(dòng)性，主要用于對(duì)不同管道的流體流量作臨時(shí)性測量。

（2）供電方式不同

固定式超聲流量計(jì)長期連續(xù)運(yùn)行，所以要使用220v交流電源，便攜式超聲流量計(jì)既可以使用現(xiàn)場的交流電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5~10h，大大方便了不同場合臨時(shí)性流量測量的需要。

（3）功能不同

固定式超聲流量計(jì)，通常都有4~20mA信號(hào)輸出等功能，供遠(yuǎn)傳顯示使用，但其內(nèi)部只能存儲(chǔ)一條管道的參數(shù)；便攜式超聲流量計(jì)只是為了現(xiàn)場查看當(dāng)時(shí)流量和 短時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量，故一般無輸出信號(hào)功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的儲(chǔ)存功能，可以同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)十條不同管道的參數(shù)，供隨時(shí)調(diào)出使用。

3 按換能器供電方式分類

根據(jù)換能器供電方式不同，可以分為外貼式、插入式、管段式3種超聲流量計(jì)。

（1）外貼式超聲流量計(jì)

是生產(chǎn)zui早、用戶zui熟悉且應(yīng)用zui廣泛的超聲流量計(jì)，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現(xiàn)了超聲流量計(jì)安裝簡單、使用方便的特點(diǎn)。

（2）管段式超聲流量計(jì)

某些管道因材質(zhì)疏松、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴(yán)重、襯里和管道內(nèi)有間隙等原因，導(dǎo)致超聲波信號(hào)衰減嚴(yán)重，用外貼式超聲流量計(jì)無法正常測量，所以產(chǎn)生了管段式超聲流量計(jì)。

管段式超聲流量計(jì)把換能器和測量管組成一體，解決了外貼式流量計(jì)在測量中一個(gè)難題，而且測量度也比其他超聲流量計(jì)高，但同時(shí)也犧牲了外貼式超聲流量計(jì)的不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn)，要求切開管道安裝換能器。

（3）插入式超聲流量計(jì)

介于上述兩者之間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號(hào)的發(fā)射、接受只經(jīng)過被測介質(zhì)，而不經(jīng)過管壁和襯里，所以其測量不受管質(zhì)和管襯材料限制。

三 超聲流量計(jì)的選型

超聲流量計(jì)除上述各種類型外，近年來又出現(xiàn)了采用數(shù)字化電路的數(shù)字式超聲流量計(jì)、把換能器和轉(zhuǎn)換器做在一起的一體式超聲流量計(jì)等。

（1）多譜勒式超聲流量計(jì)只能用于測量含有適量能反射超聲波信號(hào)的顆?；驓馀莸牧黧w，如工廠排放液、未處理的污水、雜質(zhì)含量穩(wěn)定的工廠過程液等。要注意它 對(duì)被測介質(zhì)要求比較苛刻，既不能是潔凈水，同時(shí)雜質(zhì)含量要求相對(duì)穩(wěn)定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對(duì)被測介質(zhì)要求也不一樣。選擇此類超聲流 量計(jì)既要對(duì)被測介質(zhì)心中有數(shù)，也要對(duì)所選用的超聲流量計(jì)的性能、度和對(duì)被測介質(zhì)的要求有深入的了解。

（2）便攜式超聲流量計(jì)適用于臨時(shí)性測量，主要用于核校管道上已安裝的其他流量儀表的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行一個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體平衡測試，檢查管道的當(dāng)時(shí)流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時(shí)，選用便攜式超聲流量計(jì)既方便又經(jīng)濟(jì)。

（3）時(shí)差式超聲流量計(jì)是目前生產(chǎn)zui多、應(yīng)用范圍zui廣泛的超聲流量計(jì)。它主要用來測量潔凈的液體流量，在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。此外它 也可以測量雜質(zhì)含量不高（雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均質(zhì)流體，如污水等介質(zhì)的流量，而且度可達(dá)±1.5%。實(shí)際應(yīng)用表明，時(shí)差式超 聲流量計(jì)對(duì)相應(yīng)流體的測量效果令人滿意。

（4）管道式超聲流量計(jì)度zui高，可達(dá)到±0.5%，而且不受管道材質(zhì)、襯里的限制，適用于流量測量度要求高的場合。但隨著管徑的增大，成本也會(huì)隨之增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲流量計(jì)，較為經(jīng)濟(jì)。

（5）對(duì)于固定式超聲流量計(jì)，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，徹底消除了管襯、結(jié)垢及管壁對(duì)超聲波信號(hào)衰減的影響，測量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護(hù)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(yīng)用正在不斷推廣。

（6）目前，有廠家推出了內(nèi)部為數(shù)字化電路的超聲流量計(jì)，其特點(diǎn)是采用數(shù)字電路處理信號(hào)，糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，取樣及時(shí)，度提高（模擬電路的度 為±1.5%，數(shù)字電路可以達(dá)到±1.0%），而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號(hào)輸出模式供選擇，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了很好的效果。用戶在使 用中可以和模擬電路的超聲流量計(jì)進(jìn)行比較。

（7）對(duì)于超聲流量計(jì)的功能選擇，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況來確定。如果測量雙向流體，一定要選擇帶有正負(fù)計(jì)量功能的超聲流量計(jì)；如果用戶需要定期了解流體在 某一時(shí)段的流量情況，可選擇帶打印機(jī)的超聲流量計(jì)。總之，所選擇的超聲流量計(jì)的功能既要滿足用戶需要，也不必貪多求全，造成許多功能閑置不用，而增加購買 成本。

四 超聲流量計(jì)的應(yīng)用

1 正確選型

這是超聲流量計(jì)能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng)，會(huì)造成流量無法測量，或用戶使用不便等后果。具體選型原則，前面已經(jīng)作了詳細(xì)的介紹。