超声波流量计的选型及应用

近几年来，随着电子技术、数字技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快，基于不同原理，适用于不同场合的各种型式的超声波流量计得到了广泛应用，同时也对广大用户提出如何认识超声波流量计、怎样选择合适的类型，使用中应注意些什么问题等一系列问题，本文综合国内超声波流量计目前的发展情况及多年应用的实践，对上述问题进行了些探讨。

1 超声波流量计的分类

超声波流量计的各类很多，依照不同的分类方法，可以分为不同类型的超声波流量计。

1.1 多谱勒式超声波流量计

图1 多普勒效应测量原理图

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，这就是多谱勒将就，f₂与f₁之差即为多谱勒频差f_d。

设流体流速为v，超声波声速为c，多谱勒频移f_d正比于流体流速v，即

   

所以流体流速

   

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。

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

   

图2 时差式测量原理图

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

同样，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 区别

根据超声波流量计使用场合不同，可以分为固定式超声波流量计和便携式超声波流量计。

2.1 这两类超声波流量计的主要区别

(1) 适用的场合不同

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性测量。

(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5～10h［小时］，大大方便了不同场合临时性流量测量的需要。

(3) 部分功能不同

因定式超声波流量计，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 换能器供电方式不同

可以分为外贴式、插入式、管段式三种超声波流量计。

(1) 外贴式

外贴式超声波流量计是生产最早，用户最熟悉且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。

(2) 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，用外贴式超声波流量计无法正常测量，所以产生了管段式超声波流量计。

管段式超声波流量计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。而且测量精度也比其它超声波流量计要高，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。

(3) 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，利用专门工具在有水的管道上打孔，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、接受只经过被测介质，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。