锦州天然气公司谈超声波流量计的原理与应用

摘要: 超声波流量计在工业上具有广泛应用，具有适合大口径测量、安装维修方便、通用性好等诸多优点。文章介绍了超声波流量计硬件组成，分析了超声波流量计的工作原理和传感器的几种安装方式，阐述了超声波流量计在选型、安装、调试过程中的注意事项。

在工业生产过程控制中，流量是一项重要的基础数据。流量测量通过流量计实现，根据测量原理，流量计可分为质量流量计、节流式流量计、容积式流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等类别。其中，在测量大口径管线介质流量时，超声波流量计的应用最为广泛。在中国石油锦州石化公司，新水、循环水流量大多使用超声波流量计进行测量。这种流量计安装维修方便、通用性强，在生产数据统计、节能降耗管理中具有广泛应用。

1 超声波流量计的工作原理
1. 1 硬件组成
通常超声波流量计的测量系统由传感器 ( 换能器) 和变送器 ( 流量显示累积系统) 2 部分组成。传感器为铸铁酸铅压电元件，利用压电效应，通过传感器发射并接收声波。介质流动时，对声波产生影响，通过检测产生的影响情况，计算出流量大小。

按照传感器的安装方式，常见的超声波流量计可分为插入式、外夹式和便携式 3 种类型。插入式超声流量计采用陶瓷传感器，使用专用钻孔装置进行不停产安装，一般为单声道测量。外夹式超声流量计采用专用耦合剂安装，安装时不损坏管路，能够完成固定和移动测量。便携式超声波流量计便携使用，内置可充电锂电池，配接磁性传感器，适合移动测量，常用来进行流量标定。

1. 2 测量基本原理
超声波流量计的传感器有 2 只，在工作时，2只传感器互相发射、接收超声波信号。通过数字处理技术以及时差探测法，测量出流体流速对超声波信号传输时间产生的影响，如图 1 所示。 我们将上游传感器探头 T1 发射的超声波信号被下游传感器探头 T2 接收的时间记为 t1，将下游传感器探头 T2 发射的超声波信号被上游传感器探头 T1 接收的时间记为 t2。当管线介质静止时，t2 － t1 = 0。当管线介质流动时，流体流速对超声波信号的传输产生影响，导致上游到下游的超声波
信号传输速度加快，下游到上游的超声波信号传输速度减慢，即 t2 － t1 = Δt。通过两个信号之间的时间差计算得到流体流速，再乘以管线横截面积，即计算得出流体的体积流量［1］。流体流速的基本计算公式为: 式中: v 为流速; k 为标定系数; Δt 为上下游传感器信号接收的时间差; t 为测量得出的超声波穿过流体的平均时间。

1. 3 安装与调试
Z 法安装即单行程测量，指声波只经过一个声程就已完成测量，可以获得较强的信号，如图 2所示。 1. 3. 1 Z 法安装
1. 3. 2 V 法安装
V 法安装即双行程测量，是指两只传感器同向安装，声波经对侧管道反射后接收，共有 2 个声程，如图 3 所示。 1. 3. 3 W 法安装
W 法安装即多行程测量，泛指经过 3 个或 3个以上声程的测量方法，优点是可以获得较高的测量精度，缺点是信号较弱，只适用于管道条件较好的情况，如图 4 所示。 2 超声波流量计的主要优点
2. 1 安装维护方便
超声波流量计传感器直接安装在工艺管线外壁上，不需要法兰、缩径、副线等，对管线内介质流动不产生任何影响，方便安装、调试、拆卸，方便日常维护。

2. 2 通用性能较好
由于超声波流量计安装不需要打开工艺管线，故同一台超声波流量计可以安装在不同管径的工艺管线上，具有较好的通用性［2］。

2. 3 测量范围较大
从测量口径方面，需要打开管线安装的流量计，口径通常在 DN500 以下，而超声波流量计可测量 DN2000 管线内的流体流量; 从量程方面，超声波流量计的测量范围 广，优于其他类型的流量计。

2. 4 应用范围广泛
超声波流量计传感器不直接接触工艺介质［3］，所以对于强腐蚀性、有毒有害、非导电介质等，超声波流量计同样适合。

3 超声波流量计的安装与调试
3. 1 超声波流量计的安装条件
根据超声波流量计的工作原理，可以看出，电磁干扰和涡流对测量精度有很大影响。故此，安装时应避免这两项干扰。通常安装位置应具备以下条件。
( 1) 直管段充分，安装位置上游直管段大于10D，下游直管段大于 5D［4］。
( 2) 安装位置距上游水泵距离大于 30D。
( 3) 流量计传感器、变送器、连接电缆等各部分应远离水泵等具有强磁场和强振动的机器设备［5］。
( 4) 传感器安装位置的管壁薄厚均匀、材质致密，便于超声信号传播。
( 5) 确保流体充满管道，避免出现气泡、杂质。在竖直管道安装时，选择流体自下而上流动的管道。
( 6) 便于人员操作、检修、维护。

3. 2 超声波流量计的调试
流量计安装到位后，在正式启动之前，要进行参数设置，包括安装方式、管道直径、管道壁厚、管道材料、介质类型、探头间距、测量量程、计量单位等。远传至 DCS 的超声波流量计，还要进行信号联校，确保流量数据能准确传输到 DCS。超声波流量计要定期进行检查，检查传感器与管线的连接是否紧密，检查流量测量信号是否稳定。条件具备时，可使用便携式超声波流量计测量管线介质流量，与固定式超声波流量计流量进行比 对，检验固定式超声波流量计计量是否准确。

4 常见故障原因分析与处理
同其他工业设备一样，超声波流量计运行较长时间后，难免会出现一些问题，对准确计量造成影响。这时，我们就要根据不同的故障现象，分析问题原因，及时调试、检修。

4. 1 没有检测信号
检查传感器探头与管道是否出现连接不紧密的情况，在工艺上考虑是否管线内壁结垢太厚影响信号传输。

当传感器探头与管道连接不够紧密时，要确保管道表面干净，无锈迹，无油漆，使用充足的耦合剂连接探头与管道，保证没有气泡、连接紧
密。当管线内壁结垢时，在无法清除结垢的情况下，可以在满足安装条件的前提下更换测试点，使其满足测量需要。

4. 2 接收信号强度低
检查直管段距离是否足够，检查附近是否有变频器干扰，检查传感器与变送器的连接线是否过长。

若直管段距离不够，需重新选取恰当的测量点; 若附近有变频器干扰，需重新规划流量计和变频设备的安装位置，避免流量计受到影响; 若传感器与变送器的连接线过长，也可能会造成信号衰竭，应对连接线进行屏蔽。

5 结束语
在工业实际应用中，特别是在大口径、高压力、介质稳定的管线中，超声波流量计有着其他类型流量计所没有的优势。此外，超声波流量计日常维护所投入的费用并不昂贵［6］，可谓大口径计量的首选计量设备。随着超声波流量计的不断发展、完 善，超声波流量将得到更加广泛的应用［7］。