超声波管段式流量计

近年来，超声波流量测量技术得到了很大的发展，因其具有非接触式测量、低压损、测量范围宽等优点，已经被广泛用于石油化工等行业的流量计量，特别适用于大口径管道、非导电性流量测量。本文主要介绍了超声波流量测量原理及多声道时差法超声波流量计的结构及应用。

近年来，超声波流量测量技术得到了很大的发展，因其具有非接触式测量、低压损、测量范围宽等优点，已经被广泛用于石油化工等行业。

1.超声波流量测量原理

超声波流量测量是一种利用超声波在流体中的传播特性来进行流量测量的方法，主要有 2 种：多普勒频移法和传播时间法。多普勒法是利用超声波的频率会随着超声波在流体中传播时会产生改变的特性，频率的改变和流体的流速有一定的对应关系；传播时间法是利用超声波在流体中正向传播和逆向传播的时间差来进行流量测量的方法，此时间差与流体的流速基本上成正比的关系。本文提到的超声波流量计所使用的方法为传播时间法。

超声波流量计是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法  。如图 1 所示。

其中：

L －传播距离； D －管道内直径； θ －管道内流体流动方向与声道夹角； V －瞬时流速； Q －体积流量；

Tup －超声波逆流传播时间； Tdonw －超声波顺流传播时间； 。

2.多声道超声波流量计结构

超声波流量计根据声道数可分为单声道声波流量计和多声道超声波流量计。单声道超声波流量计是由 1 对超声波换能器构成，而多声道超声波流量计具有 2 对或者多于 2 对的超声波换能器，通过精确地测量各声道上超声波沿水流顺向与逆向传播的时间差 , 计算出各声道流速，并用加权积分的方法计算出流量。

超声波换能器在管道上的位置分布影响着超声波流量计的线性、精度和稳定性。根据流体在管道内部的流动剖面图可知，管道内各点的流速是不同的，在管道中心线上的流速大，越靠近管壁流速减小，在靠近管壁内侧流速为零。因此，安装在管道中心线上的换能器，如图 2 中的单声道所示，能快速地反映管道内流体流速的变化，但是也容易受影响，导致流量测量不稳定，精度低。如图 2 中双声道的超声波流量计，换能器对称安装在中心线两侧（弦向声道），能够减小干扰，提高稳定性和精度，但是不能及时地反映流速变化。图 2 中的三声道安装方式结合了单声道和双声道的优势，不仅提高了流量测量的精度和稳定性，而且能够快速反映出流场的变化。合理选择超声波流量计的通道数和换能器安装位置是非常重要的。

多声道超声波流量计通过增加声道数，可有效地消除流速分布不均匀产生的影响，提高超声波流量计的精度和稳定性，并可保证在有个别声道损坏的情况下仍能够进行正常测量。多声道超声波流量计的声道的数目与安装位置，以及用来计算流量的数学公式取决于过流道的形状、大小及所需的测量精度。

3.超声波流量计的硬件组成

3 声道超声波流量计硬件框图 , 如图 3 所示，主要由微控制器 CPU、3 对超声波换能器、电子开关电路、超声波发射电路、自动增益调节电路、时间测量电路、人机接口、4 ～ 20mA 输出、RS485 通讯等组成。

多声道切换是多声道超声波流量计设计中的重要组成部分。如图 3 所示，3 个声道的切换和选择由 CPU 控制电子开关来实现。同时只能通 1 个声道，采用循环的方式选通声道。当需要测量声道 1 的流速时，微控制器 CPU 通过控制电子开关选通声道 1，断开声道 2 和声道 3；当需要测量声道 2 的声速时，断开声道 1 和声道 3；当需要测量声道2 时，断开声道 1 和声道 2。

当选择好某一声道后，要进行顺向时间和逆向时间测量，然后计算出顺逆向传播时间差。若选通声道 1，顺向传播时间测量由发射电路发射出 1MHz 的脉冲信号经过电子开关后发射到超声波换能器 A，超声波换能器 A 把电信号转换成超声波信号，换能器 B 接收到水中传播的超声波信号后再转换为电信号。由于此电信号幅值很小，一般要经过自动增益调节电路调整到合适的信号幅值后再送到时间测量电路。时间测量电路把测量到的正程传播时间传递给 CPU，然后 CPU 控制测量逆程传播时间。由此得到声道 1 的正逆向传播时间差。依次测量出声道 2 和声道 3 的正逆程传播时间差，3 个声道可以计算出 3 个流体速度。然后根据换能器结构和安装位置把这 3 个流体速度进行加权积分，后得到流体流速。

人机接口包括显示模块和键盘，显示模块可显示出流体瞬时流量、净累积流量、正向累积流量、反向累积流量、实时时钟等，并可显示历史数据及参数菜单。按键用于查看菜单项和修改仪表参数。

超声波流量计作为过程仪表，一般需要连接到控制系统中，常用的输出方式为 4 ～ 20mA 电流方式。电流连接方式有有源输出和无源输出 2 种。4mA 和 20mA 对应流量值可以通过人机接口进行设置，方便用户使用。

RS485 总线也是流量仪表常用的总线方式，RS485 只需要 2 根带屏蔽双绞线就可以很方便地接到系统中。系统通过 MODBUS 命令可以读取仪表信息或者设置仪表参数。

4.多声道超声波流量计的应用及注意事项

多声道超声波流量计具有高精度和高可靠性，具有非接触式测量、低压损、测量范围宽，始动流量低等优点。可测量的介质包括水、废水、油类等均匀稳定液体，应用领域包括给水排水、石油化工、供暖发电、造纸冶金、食品医药等诸多行业，能满足大部分工业现场对液体流量的准确测量与监控的需求。

超声波流量计的种类很多，按声道分有单声道、多声道；按供电方式分有交流供电型、直流供电型、电池供电型；按防护等级分有 IP68、IP67、IP65 等；按结构分有管段式、外夹式和插入式；按转换器类型可分为一体型和分体型。因此，超声波流量计型号的选择要根据工业现场的具体情况选择性价比合适的超声波流量计。为了使超声波流量计能够稳定可靠地运行，在选择安装地点时应注意以下几个方面的要求：

1）尽量避开变频器设备，以免变频器设备影响超声波流量计的回波信号从而造成流量测量不稳定。

2）为了保证流量计流量测量的精度，要求在流量传感器之前安装 10D 长度的直管段、在流量传感器之后安装 5D 长度的直管段。在有阀门或泵的管道上安装超声波流量计时，为保证测量的稳定性应确保前后设置一定长度的直管段。如做不到则应采用稳流器或者减小测量点的面积。

3）超声波传感器内要*充满液体，液体中固体含量 <5%, 气体含量 <2%。如管道存在非满管或是出口有放空状态，传感器应安装在 1 根虹吸管上。

4）流量计应尽量安装在管道的低处，以避免在流量计处聚集气泡造成其无法测量。

5）传感器不能安装在泵的进水口。为避免负压，传感器不能安装在泵的进水口处，而应安装在泵的出水口。

5.结论

多声道超声波流量计能有效地提高流量测量的精度和稳定性，具有非接触式测量、低压损、测量范围宽、始动流量低、性价比高等优点。由于通道数量的增加，可保证在单个换能器损坏的情况下仍能正常测量。多声道超声波流量计是超声波流量计的发展趋势。