超聲波流量計工作原理及常見問題概述

一、             工作原理
1、 概述
超聲流量計是一個測量儀表，它利用聲學原理來測定流過管道的流體的流速。在氣體的測量現場主要的檢測元件包括一對或幾對超聲傳感器。這些傳感器都安裝在管壁上，每一組傳感器的表面都彼此具有規定的幾何關系。
由一個傳感器發射的超聲脈沖由同一組內另一個傳感器接收，反過來也如此。Q.Sonic-3 采用了一個單反射聲道的方案，在對面的管壁處聲脈沖有一次反射。此方案使聲道的總長度增加，從而能改善分辨率（靈敏度）并拓寬流量計的范圍度.
2 、流速的測量
超聲脈沖穿過管道從一個傳感器到達另一個傳感器，就像一個渡船的船夫在橫渡一條河。當氣體不流動時，聲脈沖以相同的速度（聲速，C）在兩個方向上傳播。如果管道中的氣體有一定流速V（該流速不等于零），則順著流動方向的聲脈沖會傳輸得快些，而逆著流動方向的聲脈沖會傳輸得慢些。這樣，順流傳輸時間tD會短些，而逆流傳輸時間tU會長些。這里所說的長些或短些都是與氣體不流動時的傳輸時間相比而言；這樣就有：
L
tD = ——————— -------------- （2.1）
jC + V • cos
和
L
tU = ——————— -------------- （2.2）
jC — V • cos
式中，L代表兩個傳感器之間聲道的直線長度，可按下式確定L：
L D
—— = ———— -------------- （2.3）
2 jsin
^
采用電子學手段來測量此傳輸時間。根據時間倒數的差，可按下式計算流速V
^ L 1 1
V = ————（—— — ——）-------（2.4）
 tDj2cos tU
一般說來，沿管道橫截面的流速并不是一個固定不變的常量。在流過很長圓管的定常無渦流的流體中，流速僅是徑向位置的函數。通常稱此函數為充分發展的速度分布（剖面），可以用如下的半經驗冪律公式來近似它：

1
V（r）=Vmax（1— ——） n -------------（2.5）
R
式中，r是在半徑上的位置，R是管道的半徑，n是雷諾數Re和管內壁粗糙度的函數。對于光滑管道，可按下式來計算n：
Re
n=2log10（——）— 0.8 ---------------（2.6）
n
按（3.4）式計算的流速是沿聲道的線積分：
1
L V（r）dLòVL= ——  ----------------------（2.7）
L
換句話說，由儀表所測得的流速是在聲道方向上流體速度分量沿聲道的平均值。通常用戶感興趣的是流體沿管道橫截面S的平均流速Vm：
1
Vm= sV（r）dsòò——  ------------------（2.8）
S
如果V僅有一個垂直于S的速度分量，那么可根據下式來計算Vm：
Vm=Kc • VL ----------------（2.9a）
式中Kc代表所謂修正因子，它由下式來定義
1
V（r）dsòò——
S
Kc = ——————— ------------（2.10）
1
—— V（r）dLò
L
一旦V（r），L和S已知，修正因子就可以被計算出來。由于V（r）是雷諾數Re的函數，因此修正因子也是Re的函數。
Check Sonic “系列II”（Series-II）型流量計以具有一個“調整因子”，fadjust為特色。在進行流量校準（標定）后，可利用它對流量計進行調整，或者是根據一個具有已知或可接受精度的參比量對輸出進行調整時，也需利用它。從1998年元月1日后發運的所有流量計都已具備該特點。在計算平均流速Vm時，已同時采用了調整因子：
Vm=fadjust • Kc • VL ---------------（2.9b）

二、            
3、 體積流量的計算
在管道流動狀況下的體積流量QLine按速度分布修正后的氣體的平均流速Vm乘以測量管的內橫截面的面積A：
D2p
QLine = Vm • A = Vm • —— -----------（2.11）
4
在標準狀況下的體積流量QBase按下式計算：
Zo P To
QBase = —— • —— • —— • QLine -------------（2.12）
Z Po T
式中：
Zo,Po,To是在標準（或參比）狀況下氣體的壓縮因子，壓力和溫度；
Z，P，T是在管道流動（或計量）條件下氣體的壓縮因子，壓力和溫度。

4 、超聲波流量計的應用
超聲波流量計在應用中，需要注意以下幾個方面的問題：
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，或會造成流量無法測量，或者用戶使用不做便等后果。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問題。確定位置時除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調速囂、電焊機等污染電源的場合。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，采用V方式安裝， 管徑大于200mm時，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 及時核校
對于現場安裝固定式超聲波流量計數量大、范圍廣的用戶，可以配備一臺同類型的便攜式超聲波流量計，用于核校現場儀表的情況。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進行核校，確保選位好、安裝好、測量準；二是對在線運行的超聲波流量計發生流量突變時，要利用便攜式超聲波流量計進行及時核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發生故障還是流量確實發生了變化。

二、超聲波流量計使用中常見問題：
1、 超聲波流量計探頭使用一段時間，會出現不定期的報警。尤其是輸送介質雜質較多時，這種問題會較常見。解決辦法：定期清理探頭（建議一年清理一次）。
2、 超聲波流量計輸送介質含有水等液體雜質時，流量計引壓管容易產生積液，氣溫較低時會出現引壓管凍堵現象，尤其在北方地區冬季較常見。解決辦法：對引壓管進行吹掃或加電伴熱
附 各種參數或變量的定義：
A 管道或流量計的橫截面積；
C 聲速；
D 管道或流量計的內（直）徑；
Fadjust 調整系數（通常是根據流量標定結果來確定）；
KC 修正系數（與雷諾數Re 有關）；
KZ 一個恒定不便的壓縮因子；
L 在一對傳感器（超聲探頭）之間聲道的長度（聲程）；
P 在管道流動條件下的壓力（絕壓）；
PO 在基準（參比）條件下的壓力（絕壓）；
Qline 在管道流動條件下的體積流量（實際體積流量）；
QBase 修正到基準（參比）條件下的體積流量；
S 管道的橫截面；
T 在管道流動條件下的溫度；
TO 在基準（參比）條件下的溫度；
TD 聲音從上游探頭到下游探頭的傳輸時間；
TU 聲音從下游探頭到上游探頭的傳輸時間；
V 氣體的流速；
VL 沿聲道的平均流速；
Vm 氣體的平均流速（在管截面上的平均流速）；
V（r） 沿管道半徑在某點處的流速；
Z0 在基準（參比）條件下的壓縮因子；
Z 在管道流動條件下的壓縮因子；
 在管道軸線與聲道之間的夾角。j