超声波流量计工作原理及常见问题概述

一、             工作原理
1、 概述
超声流量计是一个测量仪表，它利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。在气体的测量现场主要的检测元件包括一对或几对超声传感器。这些传感器都安装在管壁上，每一组传感器的表面都彼此具有规定的几何关系。
由一个传感器发射的超声脉冲由同一组内另一个传感器接收，反过来也如此。Q.Sonic-3 采用了一个单反射声道的方案，在对面的管壁处声脉冲有一次反射。此方案使声道的总长度增加，从而能改善分辨率（灵敏度）并拓宽流量计的范围度.
2 、流速的测量
超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时，声脉冲以相同的速度（声速，C）在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V（该流速不等于零），则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样，顺流传输时间tD会短些，而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言；这样就有：
L
tD = ——————— -------------- （2.1）
jC + V • cos
和
L
tU = ——————— -------------- （2.2）
jC — V • cos
式中，L代表两个传感器之间声道的直线长度，可按下式确定L：
L D
—— = ———— -------------- （2.3）
2 jsin
^
采用电子学手段来测量此传输时间。根据时间倒数的差，可按下式计算流速V
^ L 1 1
V = ————（—— — ——）-------（2.4）
 tDj2cos tU
一般说来，沿管道横截面的流速并不是一个固定不变的常量。在流过很长圆管的定常无涡流的流体中，流速仅是径向位置的函数。通常称此函数为充分发展的速度分布（剖面），可以用如下的半经验幂律公式来近似它：

1
V（r）=Vmax（1— ——） n -------------（2.5）
R
式中，r是在半径上的位置，R是管道的半径，n是雷诺数Re和管内壁粗糙度的函数。对于光滑管道，可按下式来计算n：
Re
n=2log10（——）— 0.8 ---------------（2.6）
n
按（3.4）式计算的流速是沿声道的线积分：
1
L V（r）dLòVL= ——  ----------------------（2.7）
L
换句话说，由仪表所测得的流速是在声道方向上流体速度分量沿声道的平均值。通常用户感兴趣的是流体沿管道横截面S的平均流速Vm：
1
Vm= sV（r）dsòò——  ------------------（2.8）
S
如果V仅有一个垂直于S的速度分量，那么可根据下式来计算Vm：
Vm=Kc • VL ----------------（2.9a）
式中Kc代表所谓修正因子，它由下式来定义
1
V（r）dsòò——
S
Kc = ——————— ------------（2.10）
1
—— V（r）dLò
L
一旦V（r），L和S已知，修正因子就可以被计算出来。由于V（r）是雷诺数Re的函数，因此修正因子也是Re的函数。
Check Sonic “系列II”（Series-II）型流量计以具有一个“调整因子”，fadjust为特色。在进行流量校准（标定）后，可利用它对流量计进行调整，或者是根据一个具有已知或可接受精度的参比量对输出进行调整时，也需利用它。从1998年元月1日后发运的所有流量计都已具备该特点。在计算平均流速Vm时，已同时采用了调整因子：
Vm=fadjust • Kc • VL ---------------（2.9b）

二、            
3、 体积流量的计算
在管道流动状况下的体积流量QLine按速度分布修正后的气体的平均流速Vm乘以测量管的内横截面的面积A：
D2p
QLine = Vm • A = Vm • —— -----------（2.11）
4
在标准状况下的体积流量QBase按下式计算：
Zo P To
QBase = —— • —— • —— • QLine -------------（2.12）
Z Po T
式中：
Zo,Po,To是在标准（或参比）状况下气体的压缩因子，压力和温度；
Z，P，T是在管道流动（或计量）条件下气体的压缩因子，压力和温度。

4 、超声波流量计的应用
超声波流量计在应用中，需要注意以下几个方面的问题：
4.1 正确选择
这是超声波流量计能够正常工作的基础。如果选型不当，或会造成流量无法测量，或者用户使用不做便等后果。具体选型原则，前面已做了详细的介绍。
4.2 合理安装
换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时除保证足够的上、下游直管段外，尤其要注意换能器尽量避开有变频调速嚣、电焊机等污染电源的场合。在安装方式上，主要有对贴安装方式和V方式、Z方式三种，如图3。多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式，时差式超声波流量计采用V方式和Z方式，通常情况下，管径小于300mm时，采用V方式安装， 管径大于200mm时，采用Z方式安装。对于即可以用V方式安装又可以方式安装的换能器，尽量选用Z方式。实践表明，Z方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好
4.3 及时核校
对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户，可以配备一台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况。一是坚持一装一校，即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准；二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。

二、超声波流量计使用中常见问题：
1、 超声波流量计探头使用一段时间，会出现不定期的报警。尤其是输送介质杂质较多时，这种问题会较常见。解决办法：定期清理探头（建议一年清理一次）。
2、 超声波流量计输送介质含有水等液体杂质时，流量计引压管容易产生积液，气温较低时会出现引压管冻堵现象，尤其在北方地区冬季较常见。解决办法：对引压管进行吹扫或加电伴热
附 各种参数或变量的定义：
A 管道或流量计的横截面积；
C 声速；
D 管道或流量计的内（直）径；
Fadjust 调整系数（通常是根据流量标定结果来确定）；
KC 修正系数（与雷诺数Re 有关）；
KZ 一个恒定不便的压缩因子；
L 在一对传感器（超声探头）之间声道的长度（声程）；
P 在管道流动条件下的压力（绝压）；
PO 在基准（参比）条件下的压力（绝压）；
Qline 在管道流动条件下的体积流量（实际体积流量）；
QBase 修正到基准（参比）条件下的体积流量；
S 管道的横截面；
T 在管道流动条件下的温度；
TO 在基准（参比）条件下的温度；
TD 声音从上游探头到下游探头的传输时间；
TU 声音从下游探头到上游探头的传输时间；
V 气体的流速；
VL 沿声道的平均流速；
Vm 气体的平均流速（在管截面上的平均流速）；
V（r） 沿管道半径在某点处的流速；
Z0 在基准（参比）条件下的压缩因子；
Z 在管道流动条件下的压缩因子；
 在管道轴线与声道之间的夹角。j