超声波流量计在流量计量上的应用

超声波流量计在流量计量上的应用

沈超群

南京南瑞水利水电科技有限公司 江苏省南京市 211100

摘要：随着数字化、电子以及声锲材料等领域的发展，使得超声波脉冲进一步被应用于流体流量的测量中。当前在许多场合也已经相继出现了依据不同原理研制的形式各异的超声波流量，其已被应用到水电水利以及工农业等领域，有日趋成为流量计量的首选测量工具之势。基于此，本文对超声波流量计的工作原理、信号中断的原因及其应用价值进行了阐述，以期为超声波流量计的研究领域提供参考。

关键词：流量计量；超声波流量计；信号中断

现今随着超声波流量计的类别越来越多，其测量原理也不尽相同，如多普勒法、时差法等。故而，笔者对超声波流量计与流速仪在测流计量中的作用与结果进行了比较，发现对于测流工作而言，超声波流量计不管是在准确度还是精确度方面均远远优于其他测量设备，同时其还兼备其他测流设备所没有的数据远传与实时在线等优越性能。

1. 测流原理

声讯号在传递过程中，从流动于管道内的介质穿过时，其传递速度会被介质流速所改变。当声讯号传递于两个传感器之间时，其速度一般由管道内流动介质的速度所决定^[1]。特定的声讯号在经过上游时所需要的时间往往长于其经过下游所用时间，经过管道上下游的时间差dt与介质流速vf具有一定的比例关系。

通过对某区域计量表多年以来所记录的流量数据发现，许多流量表所显示流量的最大值要比配表所显示的满量程值小许多，而表的配置需要与调压器固有的流通能力相匹配，从而使得所配之表流程过大，一旦实际流量不能达到流量计额定流量最小值时，流量计就不再进行计量或计量不准确。近年来，随着超声波测量技术的不断发展，对于该技术的应用也愈加广泛。故而，我们在几个区域所设置的计量点上配置了超声波流量计，对其进行使用，经过一段时间后我们分析了相关使用数据并对超声波流量计在该区域计量中的使用可行性进行了探讨。本次我们选择了具有优越重复性能的“传播时间差”方式，将一组新型的超声传感器安装到了管内，同时对声波到彼此间的时间进行了测量。这一试验发现，相比于反方向，顺着流动气体的方向所发的声波会更快地传递到另一侧的超声波传感器所在位置，将正反方向的时间差换算为流量，在其计算方式中提取出所用时间的倒数差即可将声速项消去，继而便可算出流速，由此可看出流速与音速之间并无关联。流速乘以修正系数与管的横断面积即可统计出流量Q。

2. 信号中断的原因

能对时差式计量类型的超声波流量计造成影响的因素比较多，如直管段上下游的长度、换能器探头的布置方式以及管道的工艺参数等。为了探索引起信号中断的原因，我们按照下列方式展开了检测与分析。

（一）检测换能器探头的设置方式

当前安装换能器探头时涉及到两种方式，分别是Z法与V法，见图1与图2。安装时若选择V法，会使超声波信号增加1倍的行程，对于条件较好的小管径管道当中流量的测量比较适用。若选择Z法进行安装，则不易使信号发生衰减，故而可应用到大管径当中^[2]。通常而言，若管道直径D＞300mm，则在安装中选择Z法更为合理。

图1 V法安装图 图2 Z法安装图

我们结合以不同方式安装换能器探头时的适应性以及本区域管道的管径大小（管径为DN1000）选择以Z法安装，一段时间后发生信号中断这一隐患，故而又以V法安装来做试验，最终发现不管采取何种方式进行安装，都有可能在供水机组的实际工作过程中的某段时间发生信号中断的隐患。因此，在引起信号中断的原因中，可以排除掉不同安装方式的差异这一因素。

（二）检测上下游直管段长度

安装超声波流量计时，对上下游直管段长度有明确规定：上游必须＞10D，下游＞5D；而且要尽可能远离阀门与泵，以免隐藏扰动因素。由于流速计算公式为Vf=Kdt/TL，公式中K（标定系数）属于雷诺数的函数，若直管道不符合长度要求，那么流体经由稳定层流后就会转变为紊流状态，各处分布的流速不均匀，K会因此而出现明显变化，继而便会降低测量的准确度。再者，若将换能器探头安装于阀门或三通附近（也就是说直管段长度不达标）时，流体非常容易由层流改变为紊流甚至涡流状态，这一现象可使流体中混入气体，而这些气体会产生声阻抗，从而分散声束。特别是所含气体量较多时，会大大削弱信号强度，进而引起信号中断。结合上述理论分析以及实际勘测发现：本次安装位置的下游管道长度不达标，在安装探头区域的下游区段管径由上游处的1.0m增大到此段的1.2m，同时还连接着1根DN200支管。故而处于供水高峰期时，下游水流会因阀门、三通的影响而引起紊流、涡流进而出现水泡，这便削弱了声波信号的强度，导致流量计发生信号中断。接下来，对探头进行移动，将其朝向出水泵房移动7m，在该处控制计量井，此时位置已经符合于直管段在上下游分布的长度要求，我们在此位置使用超声波流量计检验水流计量，发现信号良好。这一结果充分验证，正是由于原来安装探头后的直管段长度不达标而引起信号中断的。

3. 应用优势

通过在实际区域的流量计量中引入超声波以及其他类型的流量计进行比较，我们发现：当超声波与涡流式流量计的口径相同时，超声波流量计在不足量程用量以及工况量程数最小时的测量水平均更为突出，在计量方面显示出了更高的精确性。相比于涡流测量计，在用户数与其他运行工况一致之时，选择超声波流量计能够采取缩颈配置，且此后依然可以达到工况标准，同时其计量也具有更好的准确度，有利于减少成本并增加经济效益。比较皮膜表与超声波流量计可发现，当工况条件相同时，两者均可以将计量误差控制于允许范围内；但由于超声波流量计具有体积小的优势，故而在小空间调压室更为适用。

4. 结束语

超声波流量计具有体积小、量程范围大、准确性高等优势，使得其比其他形式的流量计更适用于流量计量当中。超声波流量计出现信号中断的原因为上下游直管段长度不达标，维修时只需合理调整探头位置即可。这种流量计功能强大且维修方便。故而，建议相关单位推广使用超声波流量计。

参考文献：

[1] 廖志敏， 熊珊. 超声波流量计的研究和应用[J]. 管道技术与设备， 2018(4):12-13.

[2] 韩丽丽. 超声波流量计在流量计量上的应用研究[J]. 工程技术（文摘版）, 2019(10):00287-00287.