超声流量计

超声流量计（共9篇）

超声流量计 篇1

摘要：超声波流量计是通过检测流体流动对超声波的作用而测量流量的仪表, 将电能转换为超声波, 发射并穿过被测流体, 经电子线路放大并转换为代表流量的电信号, 经过积算, 实现流量的检测和显示。

关键词：超声波,流量计

1 超声波流量计的基本介绍

超声波流量计是通过检测流体流动对超声波的作用以测量流量的仪表, 一般由超声波换能器、电子线路和流量显示累计系统 (转换器) 三部分组成。超声波换能器将电能转换为超声波, 将其发射并穿过被测流体, 经电子线路放大并转换为代表流量的电信号, 经过积算, 实现流量的检测和显示。

2 超声波流量计的分类

2.1 按信号检测原理分

超声波流量计对信号的发生、传播及检测有不同的设置方法, 从而构成不同原理的超声波流量计, 分为传播速度差法 (包括时差法、相位差法、频差法) , 多普勒法, 相关法等, 本文主要研究时差法超声波流量计。

时差法超声波流量计利用超声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差, 而传播时间的差异与被测流体的速度有关系, 因此测出时间差就可以得出流体的流速, 也就可以计算出流体的流量, 其基本原理图如下:超声波换能器A、B是一对可轮流发射或接受超声波脉冲的换能器。

2.2 按超声波换能器的安装方式分

2.2.1外夹式

外夹式超声波流量计应用最为广泛, 安装换能器无需管道断流, 即夹即用, 充分体现了超声波流量计安装简单、使用方便的特点。

2.2.2 管段式

对于锈蚀严重和衬里的管道, 或者某些管道材质疏, 导声不良, 使用外夹式超声波流量计测量时信号衰减较为严重, 从而无法正常测量, 管段式超声波流量计能解决上述问题, 因为它是将能器和测量管组成一体来使用的, 但需要注意的是管段式超声波流量计在安装时需要断流。

2.2.3 插入式

插入式超声波流量计介于外夹式和管段式超声波流量计两者之间。插入式超声波流量计安装时利用专门的工具在管道上打孔, 把换能器插入管道内, 由于换能器在管道内, 其发射和接受信号不经过管道和衬里, 只经过被测介质, 所以插入式超声波流量计具有测量时不受管衬材料和管道材质限制的优点, 且无需断流。

3 超声波流量计的特点及安装

3.1 超声波流量计的特点

1) 超声波流量计是一种非接触式仪表, 它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。它的测量准确度很高, 几乎不受被测介质的各种参数的干扰, 其中一个很重要的方面就是, 它可以解决一些别的仪表可能遇到的问题, 例如:非导电性、强腐蚀性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。

2) 仪表无可动部件, 不影响介质流动参数和状态, 稳定性好, 无压力损失。

3) 可在线安装, 在不断流状态下拆装、维修, 在线维护方便。

4) 对于大口径管道, 其造价基本与管径无关。

3.2 超声波流量计的安装

3.2.1超声波流量计安装前须了解现场情况

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) 流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管;

4) 流体温度;

5) 安装现场是否有干扰源 (如变频、强磁场等) ;

6) 是否需要远传信号及种类;

3.2.2 安装位置

安装位置对超声波流量计的测量精度影响很大, 一般选择管段应满足下列条件:

1) 安装位置的管道材质尽量均匀致密, 以便于超声波的传输;

2) 安装位置上下游要有足够的直管段距离, 上游直管段大于10D (D为管道直径) , 下游直管段大于5D, 即“前10 后5”的规则;

3) 避免在有强磁场和震动干扰处安装, 如变频、水泵、大功率机器等处;

4) 应尽量安装在充满流体的管道。

4 超声波流量计的应用

超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展, 现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质, 不同场合和不同管道条件的流量测量, 可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。

参考文献

[1]王池.我国流量计发展现状[J].现代流量测试.2000.

[2]黄挚雄.超声波流量计的发展与应用[J].自动化与仪表, 1998.

[3]祝海林.超声波流量测量新技术.工业仪表与自动化装置, 1995.

[4]胡天浩.浅谈超声波流量计[J].油气井测试, 2003.

[5]《计量测试技术手册》编辑委员会.计量测试技术手册第6卷.中国计量出版社, 1996.

[6]康晓峰, 刘炜.浅析超声波流量计的工作原理及其应用.盐业与化工, 2014.

[7]郑永志.超声波流量计新技术浅析.石油化工自动化, 2013.

超声流量计 篇2

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固定壁挂式超声波流量计

固定式超声波流量计/超声波热量计是以西门子技术为核心，采用进口集成电路贴装而成，电路全部完成数字化、集成化，提高测量精度、测量稳定性、大大减少了故障维护，是目前国内技术最先进、性能最稳定、安装最方便的一款低功耗流量测量仪表，根据多年的经验总结，以及产品的不断更新换代，目前最新版本的超声波流量计/超声波热量计，其功能强大、运算速度快、抗干扰能力强，周期采样次数高达128次，广泛应用于工业现场中的各种液体流量的在线计量。其广泛用于自来水、污水处理、供热系统、石化、电厂、矿山、造纸、钢厂、空调计费等行业。

♦ 技术参数：

测量精度：优于1%，重复性0.2%

测量周期：500ms(每秒2次)

供电电源：220VAC±10%，24VDC±10%可选

流速范围：0.01～±32m/s

显 示：2×10背光液晶显示，可中英文切换显示，可同时显示瞬时流量及正、负、净累计流量、流速、瞬时热量及累积热量、工作状态、时间等数据；

操 作：4×4轻触键盘（可实现快捷键操作）

信号输入：3路4-20mA输入，,可输入压力、液位、温度等模拟信号；

2路三线制PT100铂电阻输入；

信号输出：隔离型4-20mA或0-20mA模拟量输出；

隔离型可编程OCT用于正、负、净累积脉冲及各种报警信号；

继电器用于正、负、净累积脉冲及各种报警信号输出控制；

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隔离RS-485数据接口输出、非隔离 RS-232接口输出；

其它功能：自动记忆前64日，前64个月，前5年的累积流量和工作状态；

自动记忆前64次上、断电时间和流量；

可进行人工补量或自动追加补量功能；

可编程批量（定量）控制器；

故障自诊断功能；

具备MODBUS协议，FUJI扩展协议，并兼容国内其它厂家同类产品的通讯协议；

接入GPRS设备可实现无线传输，在办公室计算机上可随时查看现场仪表参数及工作状态；

防护等级：IP65

防爆等级：ExdIIBT6 ♦ 主机外形尺寸：

插入式超声波流量计

外夹式超声波流量计

管段式超声波流量计/热量表

♦ 主机接线图：

♦ 可选配传感器： 江苏汇通仪表有限公司

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手持式手持式超声波流量计

产品简介：

手持式超声波流量计具有数据自动存储，测量精度高，全中文显示，操作灵活，携带方便等特点。手持超声波流量计被测流体可以是水、海水、酸碱液或油、浆液之类的均匀液体，导电或非导电，有腐蚀性或无腐蚀性液体均可测量。配备一体式铝合金防护箱，可在野外恶劣环境中使用。优越的性能，优惠的价格，欢迎您咨询订购。超声波流量计中一款较轻便型流量计适用于各种工业现场中液体流量的在线标定和巡检测量。具有测量精度高、一致性好、电池供电、操作简单、携带方便等特点，是目前国内体积最小、质量最轻，真正意义上的便携式超声波流量计。标准配置：

【手持式超声波流量计简要说明】

● 内置数据记录器，可记录日期、累积流量、信号状态、工作时间等； ● 4行汉字同屏显示瞬时流量、流速、累积流量、信号状态等； ● 标准数据接口RS232用于联网检测或导出记录数据；

● OTC输出正、负、静累积脉冲信号和频率信号（1-19999KHZ可选）

手持式超声波流量计可选配的传感器：S型传感器(15~100mm)M型传感器(50~700mm)L型传感器(300~6000mm)

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【手持式超声波流量计性能特点】

测量介质：水，海水，酸碱液，处理后工业污水、各种油类等能传导声波、单

一、均匀的液体 管道材料：不锈钢，钢，铸铁，铜，铝，玻璃钢，PVC管材等均匀致密的管道，允许有衬里 管衬材料：橡胶，环氧沥青，玻璃钢，砂浆等，或无衬里 管径范围：DN15mm ～ 6000mm 流速范围：0.01/s ～ ±32m/s 准 确 度：优于±1%(国内最先达到此精度的超声波流量计)直管段长：安装时最好满足:上游>10D，下游>5D，距泵出口处30D(D:管径)外部形态：主机220mm×92mm×32mm，重量538克。

【其 它】

铝箱或手提携带，内置镍氢充电电池可连续工作10小时以上。

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便携式超声波流量计

产品简介：

便携式超声波流量计与手持式超声波流量计功能基本一致，区别在于便携式多了在线打印的功能，由于添加了微型打印机，所以重量增加了一些，在携带便利性上来说不如手持式超声波流量计轻巧。我们自2008年起将超声波流量计10版机芯升级到13版，适用于各种工业现场中液体流量的在线标定和巡检测量。具有测量精度高、一致性好、电池供电时间长、操作简单、内置热敏一体式打印机等特点，该款产品已广泛应用于石油化工、冶金、电力、自来水、水利、能源监测等行业，受到广大用户的一致认可。便携式超声波流量计是从管道外面测量管道内流体流量的仪器，我们是国内优秀的便携式超声波流量计制造商，拥有多年生产超声波流量计的实际操作经验，此款便携式超声波流量计是吸收、消化国内外超声波流量计的先进技术，瞄准世界先进水平而设计开发的便携式超声波流量计,我们拥有生产超声波流量计的先进设备和检测设备，安装时只要把检测器夹装在管道外壁上，不需要截管或停流。因此没有一般流量计所必须的法兰，也不存在介质泄漏、压力损失等问题。被测流体可以是水、海水、油、浆液之类的均匀液体，导电

或非导电，有腐蚀性或无腐蚀性液体均可测量。

【便携式超声波流量计简要说明】

● 方便测量，随时打印数据。

● 机内自带充电电源，便于户外携带、使用。● 便携式超声波流量有掉电保护功能，在线自诊断功能。● 测量准确度高，从算法上消除了环境温度对测量值的影响。

● 全中文或英文显示，2×20点阵式液晶显示 ● 非接触式测流量方式，体积小，携带方便

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● 用户界面灵活，使用简单 ● 智能型打印功能，保证流量数据的完整

● 可选配S、M、L型传感器，口径由DN15~6000可选外缚传感器参数

外缚式传感器是将传感器直接捆绑在被测管道的外表面从而实现流量测量的一种安装方式，具有与管径无

关、安装简单、无需停产、无压力损失等特点。

【便携式超声波流量计性能特点】

测量液体：水，海水，碱等单一流体，浊度小于10000ppm，粒径小于1mm 管道材料：钢，铸铁，PVC管材等超声波可穿透的满管，质地致密，无严重腐蚀结垢，允

许薄层质密衬里

管衬材料：橡胶，环氧沥青，玻璃钢，砂浆等，或无衬里管径范围： DN15mm~6000mm

流速范围：-32m/s~0~+32m/s,双向流 准 确 度： ±1.0%显示值(标准条件下)。

线 性 度： 0.5%。

直管段长：上游>10D，下游>5D(D:管径)

显示方式： 双行20字符液晶显示

环境温/湿度： 主机-20℃~+50℃;传感器-20℃~+120℃，传感器可浸水工作，水深小于2m主机技术

参数 江苏汇通仪表有限公司

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* 测量精度：优于1％，重复性：优于0.2% * 测量周期：500ms(每秒2次，每个周期采集128组数据)* 工作电源：85~264VAC/隔离24VDC（F4型8~36VDC）

* 最大流速：64m/s(流速分辨率0.001m/s)* 显 示：2×10汉字背光液晶可显示瞬时流量及正、负、净累积流量、流速等

* 操 作：4×4轻触键盘(F4主机磁性4按键)操作

* 信号输入：◇3路4-20mA模拟输入,精度0.1%,可输入压力、液位、温度等信号

◇2路三线制PT100铂电阻 * 信号输出：◇1路隔离RS485输出

◇1路4-20mA或0-20mA输出

◇1路隔离OCT(脉冲宽度6~1000ms之间可编程，默认200ms)

◇1路继电器输出(脉冲宽度200ms)* 通讯协议：◇MODBUS协议，M-BUS协议，海峰FUJI扩展协议，并兼容国内其它厂家同类产品的通

讯协议

* 其它功能：◇自动记忆前512天、前128个月、前10年正/负/净累积流量

◇自动记忆前30次上、断电时间和流量并可实现流量的自动或手动补加，可通过MODBUS协议读出

◇可编程批量（定量）控制器，故障自诊断功能 ◇可通过E-mail传送来的代码文件实现软件升级 * 防护等级：传感器IP68，F4主机IP68，其余主机IP65

* 防爆等级：EXdⅡBT4(F2型)江苏汇通仪表有限公司

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超声波热量表

超声波热量表通过超声波的方法测量流量及显示水流经热交换系统所释放或吸收热能量的仪表。它通过两种传感器测得的物理量——热载体的流量和进出口的温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算，才能得到热量值。它是一种以微处理器和高精度传感器为基础的机电一体化产品。与建筑业过去已普遍使用的户用计量表——水表、电表、煤气表相比，有更复杂的设计和更高的技术含量。超声波热量表是一种包含机械、电子和信息技术的高科技产品，目前在许多领域获得了成功的应用。

可在水平、垂直方向安装

管段式超声波热量表

脉冲、M总线和RS485总线输出接口可实现数据远传、集中控制

自动错误诊断功能，确保安全准确运行

电池寿命8年以上

冷热两用（采暖、制冷均可计量）

进回水温度任选、便于施工安装

随着热改的不断深入，市场对产品的要求也越来越高，为了满足不同客户的需要，我们相继开发了多个系列产品，为了让客户更多地了解我们的产品，我们将产品的基本概况作以下简要说明：

在产品种类方面，我们可提供以下产品：

1、从DN15-DN300各种口径的无磁电子式机械热量表；

2、从DN15-DN300各种口径超声波热量表；

3、从DN15-DN25的自动恒温控制阀和手动恒温控制阀，每个口径都具有角阀、直阀、三通阀三种安装形式的产品；

4、从DN15-DN300各种口径的动态流量平衡阀和压差控制阀；

5、从DN15-DN50各种口径的普通过滤器和磁性过滤器；

6、从DN15-DN25的普通锁闭阀和磁性锁闭阀；

7、从DN15-DN25的测温球阀。

重点介绍

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在产品功能和特点方面，我们选择以下几点作重点介绍：

一、由于近年来中央空调的发展和市场需要，我们将每个型号的热量表都增加了计量冷量的功能，使所有口径的产品，既可计量热量，又可计量冷量，也可冷热量同时计量；

二、我们经过对我国供热系统的持续研究和产品的不断实践运行；使我们深刻理解供热系统所需要的产品和服务，为了让供热单位能够更方便更有效的对热网运行状况进行控制和调度，我们将热量表设计成为热网运行的监测节点，通过公用通讯网络传递信息，将热网运行参数如：“供回水温度、供回水压力、流量、热量”等信息传回主控室，并在主控室的“热网运行参数及水压图”上实时显示各种参数，为控制和调度提供依据。

三、为解决我国供热管网水质不好的问题，我们的产品选用了防堵设计，采用了无磁传递信号的方案，机械表没有任何磁性元器件，不会吸附铁锈等杂质；而且流量传感器在12mm以内都可以采集到信号，确保信号不丢失，这在国内目前也是仅有的；

四、参照城市热网设计标准规范，考虑到大口径热表架空、直埋、管沟等安装方式，为大口径表做了防水设计，可在水泡状态下工作；

五、热网上运行的产品，都要在高温、高压下运行，考虑到热网热应力对表（阀）壳体的膨胀推力，我们采用了高强度设计，尽量采用铜、不锈钢和铸钢等强度高的材料；

六、考虑到热量表的使用环境温度低，我们采用宽温液晶，确保产品在低温下可正常运行。

上述七个系列产品，共计近百个单品，都从产品种类和产品功能上为供热管网解决流量、压力平衡、实施热计量、实现节约能源提供了必备的条件；也为热量表企业提供了齐全的配套产品。

超声波热量表产品性能

1、超声波时差法测量，测量准确度高，测量不受磁场任何影响；

2、测量机构无运动部件，没有机械磨损；

3、直通式声波通道，信号不受干扰；

4、声波通道中无反射面，对水流不会产生阻力；极小的压力损失；

5、特别适用于杂质含量高的恶劣水质的测量，不受介质中杂质的影响；

6、冷热适用范围：冷、热两用；

7、可水平或垂直任意角度安装；

8、符合中国《热量表》标准CJ128-2000。

技术参数

工作电源：3.6V/2.4Ah锂电池

电池使用寿命：≥8年

精度等级：3级

工作压力：≤1.6Mpa

防护等级：IP65

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环境温度：-25℃～+ 55℃

浅谈超声波流量计的选型 篇3

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成, 是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量, 并将其发射到被测流体中, 接收器接收到的超声波信号, 经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算, 这样就实现了流量的检测和显示。

2 分类

2.1 按照测量原理不同分类。

目前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, 另一种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, 导致超声波在接收器与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接收器与发射器之间传播时间发生变化, 通过测量此时间变化就可获得流体流速。2.1.1多谱勒式超声波流量计。多普勒式超声波流量计测量原理图如图1所示。如图1, 换能器1发射频率为f1的超声波信号, 经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后, 频率发生偏移, 以f2的频率反射到换能器2, f2与f1之差即为多谱勒频差fd。设流体流速为v, 超声波声速为c, 多谱勒频移fd正比于流体流速v, 则

当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后, c、f1、θ即为常数, 流体流速和多谱勒频移成正比, 通过测量频移就可得到流体流速, 进而求得流体流量。2.1.2时差式超声波流量计。时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。如图2, 换能器1向换能器2发射超声波信号, 这是顺流方向, 其传播时间为:

反之, 逆流方向的传播时间为:

时间差为:

由于c>>v, 故

所以, 流体流速

其中c、L、θ均为常数, 测得时间差△t即可求出流体流速v进而求得流体流量。

2.2 按照使用方式不同分类。

根据超声波流量计使用方式、使用场合的不同, 可分为固定式超声波流量计和便携式超声波流量计。它们的主要区别如下:2.2.1适用场合不同。固定式超声波流量计用于安装在某一固定位置, 对某一特定管道内流体的流量进行长期不间断的计量;便携式超声波流量计具有很大的机动性, 主要用于对不同管道的流体流量作临时测量。2.2.2供电方式不同。固定式超声波流量计要求长期连续运行, 所以要使用220V交流电源, 便携式超声波流量计既可以使用现场的交流电源, 也备有内置充电电池, 可以连续工作5～10小时, 方便了不同场合临时流量测量的需要。2.2.3部分功能不同。固定式超声波流量计, 通常都有4-20mA信号输出等功能, 供远传显示使用, 但其内部只能存贮一条管道的参数;便携式超声波流量计只是为了现场查看当时流量和短时间内的累计流量, 故一般无输出信号功能, 但为了方便测量不同管道流量, 它具有丰富的贮存功能, 可以同时存贮数十条不同管道的参数, 供随时调出使用。2.2.4换能器供电方式不同。可分为外贴式、插入式、管段式三种。a.外贴式:是生产最早, 大家最熟悉、应用最广泛的超声波流量计, 安装换能器无需管道断流, 即贴即用, 它充分体现了超声波流量计安装简单、使用方便的特点。b.管段式:某些管道因材质疏、导声不良, 或者锈蚀严重, 衬里和管道内空间有间隙等原因, 导致超声波信号衰减严重, 用外贴式无法正常测量, 便产生了管段式超声波流量计。它把换能器和测量管组成一体, 解决了外贴式流量计在测量中的一个难题, 而且测量精度也更高, 但同时也牺牲了外贴式超声波流量计不断流安装这一优点, 要求切开管道安装换能器。c.插入式:插入式超声波流量计介于上述二者中间。在安装上可以不断流, 利用专门工具在管道上打孔, 把换能器插入管道内, 完成安装。由于换能器在管道内, 其信号的发射、接收只经过被测介质, 而不经过管壁和衬里, 所以其测量不受管质和管衬材料限制。

3 超声波流量计的特点

众所周知, 目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题, 这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难, 如造价提高、能损加大、安装不便等, 而超声波流量计均可避免。因为超声波流量计是管外安装、非接触测量, 仪表造价基本上与被测管道口径大小无关, 所以被认为是较好的大管径流量测量仪表。管径的适用范围从2cm到5m, 从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流。

另外, 流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响, 故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。此外, 鉴于非接触测量特点, 再配以合理的电子线路, 一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的, 不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型等流量计可以适应不同介质、不同场合和不同管道条件的流量测量。超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制, 以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能测量200℃以下的流体。另外, 超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为, 一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米, 而声波在液体中的传播速度约为1500m/s, 被测流体流速 (流量) 变化带给声速的变化量最大也是10-3数量级。若要求测量流速的准确度为1%, 则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级, 因此必须有完善的测量线路才能实现, 这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。

4 常见各类超声波流量计的应用特征

4.1 多谱勒式超声波流量计。

只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体, 如工厂排放液、未处理的污水、杂质含量稳定的工厂过程液等。要注意它对被测介质要求比较苛刻, 不能是洁净水, 杂质含量要相对稳定, 才可以正常测量。选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数, 也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解。

4.2 便携式超声波流量计。

用于临时性测量, 主要用于校对管道上已安装的其它流量仪表, 进行一个区域内的流体平衡测试, 检查管道的当时流量情况等。其优点是方便、经济。

4.3 时差式超声波流量计。

目前生产最多、应用范围最广泛的超声波流量计。它主要用来测量洁净的流体流量, 在自来水公司和工业用水领域, 得到广泛应用。此外它也可以测量杂质含量不高 (含量小于10g/L, 粒径小于1mm) 的均匀流体, 如污水的测量, 而且精度可达±1.5%。实际应用表明, 选用时差式超声波流量计, 对流体的测量都能达到满意的效果。

4.4 管段式超声波流量计。

精度最高, 可达到±0.5%, 而且不受管道材质、衬里的限制, 适用于流量测量精度要求高的场合。但随着管径的增大, 成本也会增加, 通常情况下, 选用中小口径的管段式超声波流量计较为经济。

4.5 固定式超声波流量计。

如果有足够的安装空间, 使用插入式换能器代替外贴式换能器, 彻底消除了管衬、结垢及管壁对超声波信号衰减的影响, 测量稳定性更高, 也大大减小了维护工作量。而且, 由于插入式换能器也可以不断流安装, 所以其应用正在不断推广。

结束语

超声波流量计种类多、应用广, 在流量测量方面发挥着越来越重要的作用, 而且其技术更新很快, 不断有新型的超声波流量计推出。正确的选型是超声波流量计能够正常工作的基础。所以把握好超声波流量计的种类、性能, 更好的了解它, 就能更好的选择它、应用它。

摘要：系统阐述超声波流量计的分类方法, 并从仪表性能、被测介质特性等方面总结了选用超声波流量计的原则, 对超声波流量计如何选型提出了具体建议和可以借鉴的经验和方法。

关键词：超声波流量计,原理,分类,选型

参考文献

[1]赵玉珠.测量仪表与自动化[M].北京:石油大学出版社, 1997.

超声流量计 篇4

作 业 指 导 书

批准:张丕炎

HTJN/ZY0

2TDS-100H便携式超声波流量计作业指导书

1.用途

仪器适用于从管道外面测量流体的流量。

2.主要技术参数

2.1测量范围：管道外径：Φ20 ~ 6000mm

最大流速：32m/s

流体温度：-40 ~ 200℃

基本误差：

±1% 2.2使用条件

2.2.1仪器使用的环境温度应在-10℃～45℃之间，相对湿度<85％，探头工作温度-40℃~ 200℃。

2.2.2仪器使用时，应尽量保持仪器的平稳，防止强烈振动。

2.2.3仪器在室外使用时，不要让仪器长时间暴露在灼热的阳光下，也不要让雨、雪等淋落到仪器上。

2.2.4在移动仪器时，要小心发生不必要的冲击和震动，否则可能发生故障。建议在携带搬运时将仪器装入手提箱内。

2.2.5不能在有灰尘或腐蚀性气体的环境中使用。

2.2.6不要将重物放在电源线上，受损的电源线可能导致短路或电击。电源线受到损坏应及时更换。

2.2.7安装探头的位置，应选择直管段长度足够，管内尽可能少含有气泡，管内壁不能有过厚的垢，探头易于安装的地点。3.开机

3.1选择安装位置

3.1.1满足直管段的要求上游侧10D以上，下游侧5D以上的测试要求。

3.1.2上游侧大约30D以内没有干扰流动状态的因素。

3.1.3管道内必须充满液体，液体内不含气泡或其他异物。

3.1.4仪器安装的管道周围有足够的维护空气，能使人站着工作。

3.2安装方法的选定

3.2.1 使用Z型安装方法的情况：

一般在100mm以上的管道上使用。

a．安装空间较小时；

b．要测量的是浑浊高的液体；

c．管道是水泥砂浆衬里；

d．管道陈旧，认为管道内壁附着一定的结垢时。

3.2.2使用V型安装方式的情况：

一般建议在20-300mm的管道上使用。

3.3安装面的处理

安装仪器部分管段的表面，如有沥青、铁锈、腐蚀和凸凹不平时，要用砂纸或稀释剂等将杂物清除干净，其宽度为仪器安装尺寸（L）+200mm的圆周表面。

3.4安装位置的决定

3.4.1将标准纸的右边与距要安装检测器已处理过的管段的右边相距100mm的线相吻合，然后卷起标准纸，使事先画在纸上的直线于管道轴线平行。

3.4.2延长事先画在标准纸上的直线，在管道上描绘直线A。

3.4.3沿着标准线的边描绘上一条线，这条线和直线A的交点用A0表示。

3.4.4采用V型安装时，剥去标准纸，从A0起量取安装尺寸，来决定A2位置。从这点位置，描绘一条线，使其与直线A相垂直。

3.4.5采用Z型安装时，用软卷尺从A0起测量圆周长度，在圆周的1/2处，确定点B0和B1，连接两点，描绘一条线

3.4.6在管道上表上B0，剥去标准纸，从B0点量取安装尺寸来决定B2位置。从这位置，描绘一条线使其与直线B相垂直。

3.5传感器安装到管道上的方法。

3.5.1松开锁紧螺母，滑动传感器，以便满足安装尺寸，然后拧紧螺母。

3.5.2在传感器发信面上涂上硅胶，将表面涂满。

3.5.3用布袋将传感器的两端固定到管道上，将布带预先绕在管道上，会是安装容易些。布带使用在80℃以下，如果超过80℃，应使用不锈钢带。

3.5.4确认传感器的安装与管道轴线平行以及安装尺寸正确。然后顺时针旋转传感器手柄，直到传感器发信面与管道紧密相接。4.测量

4.1电源开关置为ON。

4.2开机后进行管道参数设定依次按提示输入测量点名称、管道外径、管道材质、管道厚度、内衬材质、内衬厚度、流体种类、传感器安装方式、传感器种类、发送电压和安装尺寸表示等，输入完成后，按“ENT”键，显示探头安装数据，按照显示数据确定探头安装位置。

4.3进行零点调整，输出响应时间设定、测量输出值得校准等准备工作。

4.4进行记录条件设定，按“ESC”返回前一个画面，按“ENT”开始采集数据。

4.5根据需要可进入实用操作，如设定日期、累计流量、打印等参数。5.关机

5.1测量结束后，电源开关置为OFF，卸下电缆和探头。

时差法超声波流量计的研究 篇5

1 时差法流量测量原理

时差法超声波流量计是利用超声波信号在流体中顺逆流传播时间之差来测量流体的流速, 进而换算为流量, 原理图见图1。

一对超声波换能器交替作为接收和发射超声波端, 并以一定的夹角安装在管道两侧, 交替作为接收和发射超声波端。当流体以速度v流动时, 超声波的实际传播速度是声速c和流体在声道方向上的速度分量vcosθ 的叠加, 即c±vcosθ。超声波信号在流体中顺逆流的传播时间分别为:

其中, D为被测管道直径, C为超声波在流体中的声速, V为介质流速, θ 为声路与流体之间夹角, T0为超声波在换能器、电路中传播的总延迟时间, 可在静水中测得, 故超声波顺逆流传播时间差∆ T:

在一般应用中, C2> V2cos2θ, 故式 (3) 可简化为

在理想情况下, 超声波在静水中传播速度可认为常数。由上式可见, 被测流速与时间差正比, 可求得流速, 进而求得流量。则圆管流体的瞬时流量Q为:

2 流量测量主要影响因素分析与修正

本节将对超声波流量计在研究过程中遇到的主要影响因素进行分析, 因为这些因素对流量计的测量精度、稳定性等基本指标产生了重要影响, 制约了流量计的发展。

2.1 温度因素

流速测量公式中含有的声速C受介质温度变化影响较大, 会对测量精度带来很大误差。因此, 需将公式进行改进, 将C消除。具体做法如下:

将上述两式相减得

这种方法不受温度影响, 可以实现精确测量, 高精度的时间测量模块就是整个测量系统的关键。

2.2 流场因素

根据流体力学原理, 管道流体状态有三种:层流、紊流和过渡状态, 其依据是一个无量纲的数, 即雷诺系数Re。它定义为流体流动时的惯性力和粘性力的比值, 圆形管道的雷诺系数的计算公式为:

其中u是流体的平均流速, v是工作状态下流体的运动粘度, D为圆形管道的直径。由于管道截面流速的分布情况, 导致了流量计算公式所得线平均流速与实际所需面平均流速的不同。因此, 引入流量补偿系数K进行修正。总体上, 随着Re的增大, 流速分布近似于均匀分布。在层流和紊流情况下, 修正系数K与雷诺数Re的函数关系可表示如下:

则瞬时流量Q为:

对单声道的时差法超声波流量计如果用修正系数K进行修正, 可在较大程度上消除因管道流体流速分布不均带来的误差。

2.3 信号因素

超声波信号是超声波流量计获取全部流速信息的唯一来源, 其质量直接影响到传播时间差的测量。假设超声波信号自身就有问题, 那么将导致传播时间差的测量和流量的测量出现偏差。

在实际测量中, 超声波信号衰减较严重。同时介质内部的噪声和系统的电子噪声及环境电系干扰都可能导致检测单元无法辨别出正确信号。为消除误差, 应对采集到的信号进行滤波, 筛选出正常的信号。

3 系统总体设计

系统的设计着重放在低功耗、高精度及抗干扰3 个方面, 在需求调研及可行性分析基础上, 最终确定了系统设计方案。

3.1 硬件设计

系统硬件结构模块, 见图2, 整个电路系统主要有单片机、时间测量芯片及外围电路构成。

3.1.1 MSP430 单片机

基于超声波流量计功能需求和性能需求分析, 二次仪表模块只需对采集到的顺流、逆流时差, 进行简单的计算即可得到所要流量值, 且不需要较大操作系统, 对处理器性能要求不高。将主芯片选为16 位超低功耗单片机MSP430 系列。其有以下特点:超低功耗, 强大的处理能力, 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块, 系统工作稳定, 方便高效的开发环境。

3.1.2 TDC-GP21

超声波在介质中顺逆流传播时间的精确测量是提高时差法超声波流量计精度的关键所在, 同时为了提高系统设计的集成度, 降低开发难度, 数字时钟转换芯片选择了专用于超声波流量计的德国ACAM公司的TDC-GP21 芯片。其主要有以下特点:集成度高, 测量精度高, 功耗低, 使能窗滤波功能。

3.1.3 系统工作流程

系统工作流程为:单片机发送指令完成TDC-GP21 的复位和寄存器初始化;通过改变相应的TDC-GP21 寄存器的值, 控制发射和接收方向, 并且发送高速脉冲驱动相应的超声波换能器工作;另一个换能器在接收超声波信号后产生回波信号, 传输到相应的STOP通道, TDC-GP21 内部ALU计算一次采样, 并保存在相应寄存器。最后单片机采集顺逆流时间, 计算出流速和流量, 将测量结果显示到LCD液晶显示屏上。

3.2 软件设计

软件部分是使得应将各个电路模块相互联系并正常工作, 是系统控制的核心。基于低功耗、抗干扰原则, 采用模块化结构设计思想, 将软件模块划分, 见图3。

首先, 主程序模块根据各标志来调用相关模块完成单片机及外围电路的初始化, 进入低功耗状态;再次, 等待定时器或键盘中断唤醒执行相应的功能, 再进入低功耗状态;由于液体流速变化不大, 在不影响流量测量精度的情况下可延长测量周期, 即每5 秒进行一次流量测量, 以减少超声波发射次数, 降低功耗, TDC-GP21 陶瓷晶振通过软件设计只在工作时才起振。

4 结语

本文深入研究了时差法测量流量原理, 最终确定利用超低功耗单片机MSP430F417 控制高精度时间数字转换芯TDC-GP21进行超声波传播时间的测量, 作为超声波流量计的核心解决方案。对影响因素进行分析修正, 为实际应用做铺垫。

参考文献

[1]马立玲, 郭坤, 王军政.液体超声流量测量中的传播时间精度分析[J].仪器仪表学报, 2012, 33 (5) :1028-1034.

超声波流量计的设计和应用 篇6

超声波流量计是基于微处理器技术, 自身完备的流量测量仪表, 它由测量主板和两个传感器组成, 具有高精度、高可靠性、高性能、低价格的特点。

2、工作原理

当超声波束在液体中传播时, 液体的流动将使传播时间产生微小变化, 其传播时间的变化正比于液体的流速, 零流量时, 两个传感器发射和接收声波所需的时间完全相同, 液体流动时, 逆流方向的声波传输时间大于顺流方向的声波传输时间, 其示意图如图1。其关系符合下面的表达式:

其中:θ为声束与液体流动方向的夹角;

M为声束在液体的直线传播次数;

D为管道内径;

Tup为声束在正方向上的传播时间;

Tdown为声束在逆方向上的传播时间;

∆T=Tup-Tdown, 为时差。

其中:F为瞬时流量 (单位:立方米/小时) ;

D为管道的内径 (单位:米) ;

V为流速 (单位:米/秒) 。

3、测量主板的设计

该设计的测量准确度为1.0%, 测量主板的核心元件采用MSP430FG4618低功耗单片机, 其与周边电路共同组成了模拟信号的测量处理电路, 电气原理图如图2所示。

测量主板的设计具有以下特点:

(1) 每个周期采样次数为128次, 4字节IEEE754浮点计算, 测量结果稳定, 准确度高。

(2) 使用电气隔离的直流电源供电并加有防雷击保护线路, 使主机可靠性和抗干扰性大大提高, 在变频和高压条件下可以稳定工作。

(3) 测量主机板上带有标准的隔离RS-485接口, 能够同时支持M O D B U S, M-B U S两种标准协议。

(4) 主板可以使用任何类型的传感器, 包括外敷式、插入式、л型管段式, 标准管段式。

(5) 具有日月年累计流量自动记忆功能, 上、断电时间和流量管理功能并可实现自动或手动补加。工作参数可固化到机内的F L A S H存储器中, 上电时自动调出。

4、传感器的选择

传感器可以选择外敷式、插入式和管段式。其中外敷式分为:标准S 1型, 适用管径D N 1 5～1 0 0 m m;标准M1型, 适用管径D N 5 0～700mm;标准L1型, 适用管径DN300～600mm。插入式管段式分为:卫生型:适用DN25～DN80, 整机测量精度±0.5%, 温度0～160℃;л型:适用DN15～DN40, 整机测量精度±0.5%, 温度0～160℃;标准型:适用DN50～DN1000, 整机测量精度±0.5%, 温度0～160℃。插入式测量管道材质不限, 适用于管径DN80以上, 温度0～160℃。

5、传感器的安装

为了保证测量精度和稳定性, 传感器的安装点应选在在流场分布均匀的直管段部分 (安装时管道中必须充满液体) , 必须遵循以下原则:

(1) 选择充满流体的材质均匀质密、易于超声波传输的管段, 如垂直管段或水平管段。

(2) 安装距离应选择上游大于10倍直管径、下游大于5倍直管径以内无任何阀门、弯头、变径等均匀的直管径, 安装点应充分远离阀门、泵、高压电和变频器等干扰源。

(3) 避免安装在管道系统的最高点或带有自由出口的垂直管道上 (流体向下流动)

(4) 对于开口或半满管的管道, 流量计应安装在U型管段处。

(5) 两个传感器必须安装在管道轴面的水平方向上, 并且在轴线水平位置±45°范围内安装, 以防止上部不满管、气泡或下部有沉淀等现象影响传感器正常测量。如果受安装地点空间的限制而不能水平对称安装时, 可在保证管内上部无气泡的条件下, 垂直或有倾角地安装传感器。

6、用途

天然气超声波流量计应用探讨 篇7

关键词：天然气,超声波流量计,选型优势

1 引言

现今的中国正在大步加速发展, 能源方面的供应需求已甚为显著, 政府倡导城市能源清洁、环保、节能, 人们追求绿色低碳健康生活。天然气是一种多组分的混合气体, 主要成分是烷烃, 天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少, 产生的二氧化碳仅为煤的40%左右, 产生的二氧化硫也很少。天然气燃烧后无废渣、废水产生, 相较于煤炭、石油等能源具有使用安全、热值高、洁净等优势。城市天然气市场的增温自然成为必然趋势, 近年来天然气的消费量迅速增加, 已进入“天然气时代”。

燃气公司的管道燃气用户及其用气性质大体分为:工业用户、商业用户、公福用户和居民用户。正由于城市用户庞大而杂乱, 他们的需求复杂而多样, 其特点大致为:低压 (0.4M p a以下) , 中小流量 (D N300以下) , 安装条件差, 管理维护力量薄弱, 操作方面, 免维修, 价格适中等等。

2 流量计的类型、原理及应用分析

目前, 我国天然气贸易计量可选用的流量计类型有七八种之多, 例如涡轮流量计、罗茨流量计、质量流量计、超声波流量计等等。这些流量计类型的不同品牌, 在燃气市场也各占据着一定份额的比例。当然, 不同品牌的流量计都有着一段艰辛的成长历程, 凭借着它们严格的生产工艺, 先进的技术水平, 不断革新的管理理念, 创造了完美的计量精准, 冲蚀着大步发展的燃气流量计市场。

关于涡轮流量计、罗茨流量计和质量流量计的使用, 在我国都已基本成熟了, 这里不再阐述, 主要探讨超声波流量计的使用。

3 超声波流量计较在燃气流量计选型中的优势

超声波流量计是运用声波传播速度法, 通过计算时间差来测量流量。重复性能优越的“传播时间倒数差”:不受音速 (稳定) 变化影响, 测量对象仅是时间, 常年使用也几乎无任何变化。

3.1 性能要求和仪表规范

仪表性能是指仪表的精度、重复性、量程比、压力损失、起始流量、输出信号等, 选流量计时应对上述指标进行仔细分析比较, 选择能满足测量要求的仪表。

(1) 精确度和重复性

重复性是仪表原理本身与制造质量所决定的, 而准确度是外加的特性。一台流量计准确度高首先要重复性高, 然后用高准确度的量值传递系统进行校准, 求得高准确度的仪表系数。

超声波流量计使用重复性能优越的“传播时间倒数”法, 计算精度为±1%R~±2%R。

(2) 量程比和压力损失

量程比是最大测量范围和最小测量范围之比。量程比大, 调整的余地就大, 可在工艺条件改变时, 便于更改变送器的测量范围, 而不需要更换仪表, 也可以减少库存备表数量, 相比同口径涡轮、罗茨流量计的量程比高出3~6倍。压力损失表示装置消耗能量大小的技术经济指标, 以装置进出口处流体的全压差表示, 实质上反映了流体经过除尘装置 (或其他装置) 所消耗的机械能, 与通风机所耗功率成正比。超声波流量计无任何阻碍流体流动部件存在, 压力损失极小, 使得被测流体即便含有不纯污渍, 亦可保持较高的耐久能力。

(3) 起始流量、输出信号

超声波流量计几乎不存在始动流量, 它可以精确的计算出微小的流量。搭载模拟电流信号输出及专用通讯协议输出功能, 除标准脉冲信号输出外, 亦提供模拟信号 (4-20m A) 、上下限报警及专用通讯协议信号输出功能。

3.2 流体特性方面

流体特性主要指燃气的压力、温度、密度、黏度、压缩性等, 由于气体的体积随着温度、压力而变化, 应考虑是否要补偿修正。

超声波流量计使用表压为0-1M p a, 通过超声波传感器来测量温度。超声波传感器之间的平均温度具有较高的精度。根据传播时间倒数和方程式, 计算出声速, 再把声速与被测定流体的温度表进行比较, 计算出温度值.采用时差计算法, 不受温度、密度、黏度等的影响。

3.3 安装条件方面

安装条件是指燃气流向、管道走向、上下游直管道长度、管径、空间位置及管件等, 这些都会影响燃气流量计的准确运行、维护保养和使用寿命。

流量计的连接方式可以水平、垂直安装, 双向流向可测, 对直管段要求不高。轻小便于安装, 重量是同口径罗茨流量计重量的1/10, 几乎相当于直管道, 不需要安装过滤器。

3.4 环境条件方面

采用铝合金外壳设计, 防护等级为IP64级, 使用环境-10~+60℃无结露, 测量流体温度不受外界环境因素影响。Ex ia本安型产品, 可安装于爆炸性危险环境。

3.5 经济因素方面

经济因素是指购置费、运行费、维护费、校验费及备品备件等, 其又受燃气流量计的性能、可靠性、寿命等影响。购置费方面, 已经有小口径流量计进入国内市场, 相比其他进口涡轮流量计有一定的价格优势, 且基本没有其他附属设施需购置, 市场价格基本适中。运行费方面, 双流向时差计算法, 流体的始动流量及压损相当于零。免维护保养, 无任何可动部件, 耐灰尘, 耐油污性能优越, 无需安装过滤器, 无需后期清洗维护。

4 总结

随着天然气时代的不断发展, 高效、精准和低成本的超声波流量计, 必将迎来天然气行业一场新的革命。

参考文献

[1]《气体涡轮流量计标准》AGA NO.7.[1]《气体涡轮流量计标准》AGA NO.7.

[2]《用气体超声波流量计测量燃气流量》GB/T18604-2001.[2]《用气体超声波流量计测量燃气流量》GB/T18604-2001.

超声流量计 篇8

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。

电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表,采用单片机嵌入式技术,实现数字励磁,同时在电磁流量计上采用CAN现场总线。

2 超声波流量计和电磁流量计的工作原理

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量,并将其发射到被测流体中,接收器接收到的超声波信号,经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。

超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应,采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上,使其产生超声波振动。超声波以某一角度射入流体中传播,然后由接收换能器接收,并经压电元件变为电能,以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应,而接收换能器则是利用压电效应。

电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中,测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆,上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时,则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬(橡胶,特氟隆等)实现与流体和测量电极的电磁隔离。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动,与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势,电动势的方向按“弗来明右手规则”。

3 超声波流量计和电磁流量计的分类

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。根据对信号检测的原理,目前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。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。

电磁流量计按激磁电流方式划分,有直流激磁、交流(工频或其他频率)激磁、低频矩形波激磁和双频矩形波激磁;按输出信号连接和激磁(或电源)连线的制式分类,有四线制和二线制;按转换器与传感器组装方式分类,有分体型和一体型;按流量传感器与管道连接方式分类,有法兰型、夹持型、卫生型、插入型、螺纹连接;按流量传感器电极是否与被测液体接触分类,有接触型和非接触型;按流量传感器结构分类,有短管型和插入型(插入式电磁流量计);按用途分类,有通用型、防爆型、卫生型、防侵水型和用于明渠流量测量的潜水型(明渠流量计)。

4 超声波流量计和电磁流量计的主要区别

4.1 介质不同

超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响,又可制成非接触及便携式测量仪表,故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。

电磁流量计不能测量导电率很低的液体,如石石油制品和有机溶剂等。通用型电磁流量计由于里衬材料限制,不能测量温度较高液体。电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求,对于液态介质,应测量质量流量,测量介质流量应涉及到流体的密度,不同流体介质具有不同的密度,而且随温度变化。如果电磁流量计转换器不考虑流体密度,仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。

4.2 准确度不同

超声波流量计是通过测量流体速度来确定体积流量,对液体应该测量它的质量流量,仪表测量质量流量是通过体积流量乘以人为设定的密度后得到的,当流体温度变化时,流体密度是变化的,人为设定密度值,不能保证质量流量的准确度。只能在测量流体速度的同时,又测量了流体密度,才能通过运算,得到真实质量流量值。

从超声波流量计在国内市场使用的经验来看,目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝和换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制,另外不足的是高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前中国的超声波流量计只能用于测量200℃以下的流体。

超声波流量计和电磁流量计的测量媒介不同,超声波是采用声波,频率很低,超声波频率20 KHz~100 KHz,雷达是采用2.4 GHz级别的电磁波,超声波的限制性比较大,很容易受到其它铁制物体的干扰,另外频率低,衰减大,测量范围小,应用的面比较窄,常用在大口径的水管线的流量测量和明渠类流量计测液位来换算成流量。也有用在固体料仓上的。电磁的频率高,衰减小,如果加上导波管测量范围可以很大,用在储罐上比较多。但是需要注意介电常数,介电常数太小的介质没法测或测量范围很小。由于这种传感器必须保持管道内电阻和测量电路阻抗之间有一定比例关系,因此在制造上有一定困难。当被测介质的电导率约为10Ω/cm时就开始产生困难,电导率更低时就产生原理性困难。当电导率为10Ω/cm时,就达到导电介质和电介质之间的“分界线”,热噪声电平随内阻的增大而显著增加。

高精度超声流量计均为多声道或管段式,中、小口径管段式超声流量计通常都做实流标定,具有0.5%准确度。目前广泛使用的国产单声道超声流量标称精度为1%,但在实际应用中,由于现场管道的内径、壁厚、圆度都无法精确测量等诸多因素会使测量准确度超出标称准确度许多,对供水行业的计量来说,超声波流量计的实际测量误差能控制在3%以内就算高准确度了。

4.3 安装维护检定成本不同

超声波流量计适用于大型圆形管道和矩形管道,且原理上不受管径限制,其造价基本上与管径无关。对于大型管道不仅带来方便,可认为在无法实现实流校验的情况下是优先考虑的选择方案。超声流量计可作非接触测量。夹装式换能器超声流量计可无需停流截管安装,只要在既设管道外部安装换能器即可。这是超声流量计在工业用流量仪表中具有的独特优点,因此可作移动性(即非定点固定安装)测量,适用于管网流动状况评估测定超声流量计为无流动阻挠测量,无额外压力损失。流量计的仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得的,既可采用干法标定,除带测量管段式外一般不需作实流校验。超声波流量计主要是管外安装和插入式安装,简单方便,可在线拆卸,维护时不需要工艺停车,不影响生产,检定费用低,按国家计量检定规程每3年检定一次。

电磁流量计的安装与调试比其它流量计复杂,且要求更严格。变送器和转换器必须配套使用,两者之间不能用两种不同型号的仪表配用。在安装变送器时,从安装地点的选择到具体的安装调试,必须严格按照产品说明书要求进行。安装地点不能有振动,不能有强磁场。在安装时必须使变送器和管道有良好的接触及良好的接地。变送器的电位与被测流体等电位。在使用时,必须排尽测量管中存留的气体,否则会造成较大的测量误差。电磁流量计需要在有电导率的液体条件下安装,而且一般电磁流量计的安装必须截管安装,但是电磁流量计的特点是在符合条件的现场条件下准确度高。电磁流量计拆卸麻烦,必须要求工艺停车,拆卸送检麻烦,如果是0.5%准确度按国家计量检定规程每半年需检定一次。

4.4 干扰来源不同

干扰了超声波工作,就是干扰了超声波流量计工作。干扰超声波工作的主要因素有温度的剧烈变化和杂波的干扰,或管道内有特定角度的旋流或者结构使得流量计发射出的超声波不能有效的回收。

电化学极化电势干扰是由于电极感生电动势在两极极性不同而导致电解质在电极表面极化产生。虽然采用正负交变励磁磁场能显著减弱极化电势的数量级,但不能根本上完全消除极化电势干扰。其特性于流体介质的性质、电极材料性质、电极的外形尺寸形状有关,具有变化缓慢,数量级不大等特点。因此选择合适的电极材料,设计最佳的电极形状的尺寸是减小极化电势的有效方法之一。另外采用正负两极性交变的矩形波励磁技术配合微处理器同步宽脉冲采样技术,到用微处理器运算功能前后两次采样值相减消除流量信号电势中的极化电势干扰。

工频干扰噪声是由电磁流量传感器励磁绕组和流体、电极、放大器输入回路的电磁耦合,另外电磁流量计工作现场的工频共模干扰,其三供电电源引入的工频串模干扰等,其产生的物理机理均是电磁感应原理。首先就电磁流量传感器励磁绕组和流体、电极、放大器输入回路的电磁耦合产生的工频干扰对电磁流量计工作影响最大,而且在不同的励磁技术下其表现的形态、特性不同,因而采取抗干扰措施也不同。解决电磁流量计运行中出现的问题,可采用新型HCMOS系列芯片技术和微处理器系统电源电压监视技术。

5 结语

综合以上论述,超声波流量计和电磁流量计在不同的环境下各有优势。在小成本作业,对测量准确度要求不高的情况下,宜多使用超声波流量计;在安装、维护资金充足,对测量准确度要求高的情况下,应多采用电磁流量计。当然,计量检测人员要认真考察工作环境中对流量计的干扰来源,并采取有效的抗干扰措施。

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时差式超声波流量计的应用技术 篇9

1 工作原理

超声波在流体中传播,顺流方向时,声波传播速度会增大;逆流方向时,声波传播速度会减小。因此,在同一距离传播时间不同,利用传播过程的时间之差可得到被测流体的流速。时差式超声波流量计工作原理如图1所示。

逆流方向超声波的传播时间为:

顺流方向超声波的传播时间为:

式(1)、式(2)中x为超声波发射器与接收器之间的轴向(水平)距离(m);c为超声波在被测流体中静止时的传播速度(m/s);v为被测流体的流速(m/s)。由式(1)减去式(2),并整理,得:

(θ一般为:30°≤θ≤45°)

由于超声波的传播速度c远大于流体流速v,且30°≤θ≤45°,可认为c2cos2θ-v2≈c2cos2θ,故,

即有:

由式(3)可见,当超声波在静止流体中的传播速度C为常数时,流体流速仅与时间差Δt成正比,测得Δt即可求出流速,进而求出流量。

2 时差式超声波流量计的应用

2.1 主要特点和应用领域

时差式超声波流量计的特点是具有无压力损失,无流动阻挠测量,可测量非导电性流体,主要用于测量清洁液体和气体,特别在大口径流量测量方面具有明显的优势。时差式超声波流量计主要应用于给排水工程、生物工程、医药工业和食品工业等领域。

2.2 精度等级、性能和功能

常用的时差式超声波流量计的性能差别较大:有些精度高,功能大;有些精度低,功能简单。精度高的基本误差为±0.5%～±1.0%,精度低的基本误差为±1.5%～±3.0%。精度高的时差式超声波流量计有严格的安装要求和参比条件。时差式超声波流量计在性能和功能上的差别也较大:性能好的测量效果稳定,计量准确,使用寿命长;性能较差的则测量效果较不稳定,计量准确性较差,使用寿命短。功能简单的仅有单向流量测量功能,只能输出模拟信号;多功能的有双向流量测量、故障自诊断和各种信息报警、压力测量、上位机通信等。表1列出了时差超声波流量计与其他常用仪表在精度、测量范围、口径及价格的比较情况。

2.3 被测量流体的要求

时差式超声波流量计应用于清洁单相液体和气体,流体中气泡较少;流体呈层流,在紊流状态下测量误差较大。由于超声波在被测流体中的传播速度受流体温度、含盐量等条件的影响,所以应尽量避免时差式超声波流量计在温度、含盐量等变化较大的状态下进行测量,以减少测量误差。

3 安装和使用注意事项

3.1 传感器的安装要求

3.1.1 测量管段位置

为保证时差式超声波流量计的测量精度,测量管段位置的选择应遵循以下原则:

(1)选择充满流体的管段,传感器安装方向应保持水平,或垂直,或倾斜,流体自下而上流动。

(2)测量管段位置应远离弯管段、三通、节流阀、阻尼孔、缩径管或其他会引起紊流的管段,至少有10D的上游直管段和5D的下游直管段。

(3)对于在泵、控制阀或套管弯曲段后的测量管段位置,其上游管段应要求有30 D以上,一般只需5 D下游直管段。

(4)应避免在电磁干扰大的环境中安装流量计,以免导致信号强度减弱产生波动,影响流量计正常工作。

3.1.2 测量点的选择

获得最强的信号和最佳的测量精度,测量管段中测量点的选择是关键。首先要确定正确的传感器安装间距,然后在测量管段上选择最佳测量点。对测量点进行选择时应注意以下几点:

(1)测量管段宜选用无缝钢管,外贴式安装时,管材应均匀致密。若为有缝管,采用“V”形安装、“N”形安装和“W”形安装时,管内壁应平滑,缝与传感器不应在管轴平面上,以免信号发生漫反射,引起信号衰减。

(2)在水平测量管段,传感器宜安装在正侧位置(即3点钟、9点钟位置),因为管道内上部位置往往聚有气泡或气穴,底部有沉淀物,从而引起信号衰减。

(3)上、下游2个测量点应与管轴线组成一个轴平面。否则,难以接收信号或引起信号衰减。

3.1.3 安装类型和方式

传感器安装有外贴式和插入式2类。外贴式安装是指传感器安装在管外表面,其安装和拆卸方便,但由于传感器与管壁间的耦合剂易干燥,有可能引起信号衰减,因此须定期更换耦合剂和重新安装传感器。插入式安装是指将传感器插入管内,其安装和拆卸较为麻烦,但不存在重新安装传感器的问题。

有4种:“Z”形、“V”形、“N”形和传感器安装方式有4种:“Z”形、“V”形、“N”形和“W”形(图2为“Z”形、“V”形、“W”形安装方式的俯视图)。采用何种安装方式,要根据具体的应用条件来选择。“Z”形安装方式适用于大管径道,管径一般为600～5 000 mm;“Z”形安装方式更适合管内壁结垢或生锈严重的管段,它具有信号强,测量精度高等优点;“V”形安装方式适用于管径适中的管道,管径一般为200～800 mm,“V”形安装方式通常是标准安装方式,它具有安装方便,测量准确的状态,“N”形和“W”形安装方式适用于小管径管道,管径一般<200 mm。“N”形和“W”形安装方式较少被采用,这2种方式是通过延长超声波距离的办法来提高小管道内流体的测量精度。

3.2 转换器的安装要求

3.2.1 转换器安装和连接电缆

转换器安装在传感器附近的仪表室,与传感器距离一般不超过300m,且距离越短越好,环境温度在-20℃～50℃之间,其防护等级与传感器防护等级相同,为IP65 (GB 4208-1993)《电器产品外壳防护试验标准》规定的防尘喷水级)。电源电缆和信号电缆应独立采用金属套管铺设;信号电缆的金属套管宜单独接地保护;电缆的分布电容、导线面积、屏蔽层数和屏蔽密度等参数应与制造厂家规定的参数一致,宜采用制造厂家生产的电缆。

3.2.2 接地要求

转换器应单独接地,接地电阻应在4Ω以下,采用6 mm2的铜导线连接。

4 结语

生产工艺复杂程度和自动化程度的不断提高,对流量测量及控制提出了更高的要求,对时差式超声波流量计的使用功能和精度等的要求也越来越高。对时差式超声波流量计的应用和安装应给予充分重视,只有在仪表位置符合要求、仪表安装正确及前后直管段充足等条件同时具备的情况下,测量系统的测量精度才能达到规定要求。时差式超声波流量计在使用过程中,应按照使用要求才能保证仪表的稳定性和计量准确。

参考文献

[1]苏彦勋,等.流量计量与测试[M].北京:中国计量出版社, 2007.