超声波流量计

定义

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。[1] 

原理

根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

超声流量计和超声波流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，它是发展迅速的一类流量计之一。

超声波流量计采用时差式测量原理：一个探头发射信号穿过管壁、介质、另一侧管壁后，被另一个探头接收到，同时，第二个探头同样发射信号被第一个探头接收到，由于受到介质流速的影响，二者存在时间差Δt，根据推算可以得出流速V和时间差Δt之间的换算关系V=(C2/2L)×Δt，进而可以得到流量值Q

优点

超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。它的测量准确度很高，几乎不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决其它仪表不能的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。

缺点

现今所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m/s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是10－3数量级．若要求测量流速的准确度为1%，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。

超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。

超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。

特点

◆独特的信号数字化处理技术，使仪表测量信号更稳定、抗干扰能力强、计量更准确。

◆无机械传动部件不容易损坏，免维护，寿命长。

◆电路更优化、集成度高、功耗低、可靠性高。

◆智能化标准信号输出，人机界面友好、多种二次信号输出，供您任意选择。

◆管段式小管径测量经济又方便，测量精度高。

外夹式超声波流量计AFTU-2W的技术参数如下：

安装方式：挂墙式

流速范围：0~5m/s

准确度：测量值的±1%

重复性：0.2%

键盘：16（4×4）轻触按键

显示屏：20×2点阵字符背光液晶显示

电源：10~36VDC/1Amax

外壳材质：PC/ABS塑料

防护等级：IP65

环境温度：-10℃~+50℃

输出：频率输出0-5kHz，OCT方式：4-20mA输出

通讯：RS-485通讯接口，支持Modbus协议

特点：

可做非接触式测量

无流动阻挠测量,无压力损失

可测量非导电性液体

量程比宽，用途广泛

多种功能主机，携带方便

功能

下载测量值/记录, 图形显示, 格式转换操作系统: WindowsTM ；过程输出(可选)输出与主设备电隔离输出组数视输出类型而定. 电流范围: (0/4-20) mA精度: 0.1%读数± 15μA有源输出: Rext < 500??无源输出: Uext < 24V, Rext < 1k??电压范围: (0~1) V或(0~10) V精度: 0~1V: 0.1%读数± 1mV0~10V: 0.1%读数± 10mV仪表阻抗: Ri = 500??频率范围: 0~1kHz或0~10kHz集电极开路: 24 V/4mA开关量集电极开路: 24 V/4mA干簧继电器: 48 V/0.1A功能,如状态输出: 上下限, 符号变化或出错脉冲输出: 值: (0.01~1000)units宽度: (80~1000)ms过程输入(可选)输入与主设备电隔离, 最多4组输入.温度类型: Pt100, 四线制范围: -50℃~400℃分辨率: 0.1 K精度: ± (0.02K + 0.1%读数)电流范围: 有源: (0~20)mA无源: (-20~20)mA精度: 0.1%读数± 10 A有源输入: Ri = 50??无源输入: Uext < 24V, Rext < 1k??电压范围: (0~1) V或(0~10) V精度: 0~1V: 0.1%读数± 1mV0~10V: 0.1%读数± 10mV仪表阻抗: Ri= 1M夹装式探头

适用口径: DN6-DN6500适用温度: -30 to 400℃ (适用防爆区).测厚探头（可选）测量范围: (1.0 - 200) mm分辨率: 0.01 mm线性度: 0.1 mm标准型: -20℃ to +60℃高温型: 0℃ to +200℃短时间可达+540℃应用领域

概况

传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、:怪液、液化天然气等;

气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验;

环境

多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体,例如:未处理污水、工厂排放液、脏流程液;通常不适用于非常清洁的液体。

超声波流量计正确选型才能保证超声波流量计更好的使用。选用什么种类的超声波流量计应根据被测流体介质的物理性质和化学性质来决定，使超声波流量计的通径、流量范围、衬里材料、电极材料和输出电流等都能适应被测流体的性质和流量测量的要求。

1、精密功能检查

精度等级和功能根据测量要求和使用场合选择仪表精 度等级，做到经济合算。比如用于贸易结算、产品交接和能源计量的场合，应该选择精度等级高些，如1.0级、0.5级，或者更高等级; 用于过程控制的场合，根据控制要求选择不 同精度等级;有些仅仅是检测一下过程流量，无需做精确控制和计量的场合，可以选择精度等级稍低的，如1.5级、2.5级，甚至 4.0级，这时可以选用价格低廉的插入式超声波流量计。

2、可测量的介质

测量介质流速、仪表量程与口径 测量一般的介质时，超声波流量计的满度 流量可以在测量介质流速0.5—12m/s范围内 选用，范围比较宽。选择仪表规格(口径)不一 定与工艺管道相同，应视测量流量范围是否 在流速范围内确定，即当管道流速偏低，不能满足流量仪表要求时或者在此流速下测量准 确度不能保证时，需要缩小仪表口径，从而提 高管内流速，得到满意测量结果。

应用领域

当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下列表达式

其中

θ为声束与液体流动方向的夹角

M 为声束在液体的直线传播次数

D 为管道内径

Tup 为声束在正方向上的传播时间

Tdown为声束在逆方向上的传播时间

ΔT=Tup –Tdown

设静止流体中的声速为c，流体流动的速度为u，传播距离为L，当声波与流体流动方向一致时（即顺流方向），其传播速度为c+u；反之，传播速度为c-u.在相距为L的两处分别放置两组超声波发生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2）。当T1顺方向，T2逆方向发射超声波时，超声波分别到达接收器R1和R2所需要的时间为t1和t2,则

t1=L/(c+u)； t2=L/(c-u)

由于在工业管道中，流体的流速比声速小的多，即c>>u,因此两者的时间差为 ▽t=t2-t1=2Lu/cc 由此可知，当声波在流体中的传播速度c已知时，只要测出时间差▽t即可求出流速u，进而可求出流量Q。利用这个原理进行流量测量的方法称为时差法。此外还可用相差法、频差法等。

相差法

如果超声波发射器发射连续超声脉冲或周期较长的脉冲列，则在顺流和逆流发射时所接收到的信号之间便要产生相位差▽O,即▽O=w▽t=2wLu/cc

式中，w为超声波角频率。当测得▽O时即可求出u,进而求得流量Q。此法用测量相位差▽O代替了测量微小的时差▽t，有利于提高测量精度。但存在者声速c对测量结果的影响。

频差法

为了消除声速c的影响，常采用频差法。由前可知，上、下游接收器接受到的超声波的频率之差为▽f可用下式表示 ▽f=[（c+u）/L]-[(c-u)/L]=2u/L

由此可知，只要测得▽f就可求得流量Q，并且此法与声速无关。超声波技术及其应用一、没测量水位概况

水电站多采用浮子式液位计或投入式液位计来进行水位测量。其缺点为：测量精度低，不可靠，经常出现浮子卡死不动和传感器堵塞导致测不准；维护工作量大，安装、调试不便，采集到的仅是模拟告警信号，不能直接进入电厂计算机监控系统。对无人值班电厂不实用。

通过对拦污栅水位测量系统进行了反复对比，优化得出最后的方案设计，采用超声波液位计对栅前、栅后水位进行实时准确监测，超声波液位计用PLC对采集量进行处理。并且把实时水位和压差数据送到中控室，超声波液位计显示和越限报警。超声波液位计同时采用RS422/RS232接口，又把实时数据送到大坝集中控制室工控机，处理成计算机通信报文，最终将采集量送到电厂计算机监控系统上位机。

该项目实施后不仅满足栏污栅栅前、栅后水位及压差的多点实时监测，及报警功能，而且结束了拦污栅测量系统独立工作，无法与电厂计算机监控系统通讯的局面。实现与闸门系统的监视功能、控制功能以及故障时ON-CALL寻呼系统功能的集成。满足了无人值班电站的需要。该技术在云南省电力系统还是第一家。

超声波液位计测量水位的原理以及安装要求

超声波液位计工作时，高频脉冲声波由换能器（探头）发出，遇被测物体（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一换能器（探头）接收，转换成电信号。脉冲发送和接收之间的时间（声波的运动时间）与换能器到物体表面的距离成正比，声波传输的距离S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=　CⅩT/2

例如：声速C=344m/s，传输时间为50ms，即可算出传输的距离为17.2m，测定距离为8.6m。

三．可编程超声波式拦污栅水位测量系统在田坝电站应用产生的效果

用超声波液位计测量大坝水位在当今国内尚不普遍，技术上尚无经验可以借鉴。在这样的情况下，我们充分利用PLC与超声波液位计这一领域的先进技术，按照总体规划，长远考虑，一次到位，避免重复改造，重复投资的这一原则，对该项目进行自行设计，全面顺利地完成了这一课题。在该领域取得了较有价值的经验。为目前我国国内水电站实现对大坝水位监测系统提供了一个可以借鉴的范例。

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种

非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。

众所周知，工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。

另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。

●插入式超声流量计：可不停产安装和维护。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，为了提高测量准确度，可选择三声道。

●管段式超声流量计：需切开管路安装，但以后的维护可不停产。可选择单声道或三声道传感器。

●外夹式超声流量计：能够完成固定和移动测量。采用专用耦合剂（室温固化的硅橡胶或高温长链聚合油脂）安装，安装时不损坏管路。

●便携式超声流量计：便携使用，内置可充电锂电池，适合移动测量，配接磁性传感器。

1、非接触式测量方式、体积小、携带方便

2、适用于现场测量各种尺寸管道导声介质

3、内置镍氢充电电池工作时间达20小时以上

4、用户界面灵活，使用简单

5、智能型现场打印功能，保证流量数据的完整

6、配备一体式铝合金防护箱，可在野外恶劣环境中使用

● 手持式超声流量计：体积小，重量轻，内置可充电锂电池，手持使用，配接磁性传感器。

● 防爆型超声流量计：用于爆炸性环境液体流量测量，为防爆兼本安型。即转换器为防爆型，传感器为本质安全型。

时差式超声波流量计是当今世界上具竞争力的流量测量手段，其测量线精度高于1.0%。由于工业现场特别是管路周围环境的多样性，因此，怎样根据特定的环境安装调试超声波流量计，就成了超声波流量测量领域的一个重要课题，本规程详解了超声波流量计的安装细节，从而进一步完整体现了超声波流量计的精度、可靠性和稳定性的优势，大大降低日后的维护工作甚至免维护。

安装细解

超声波流量计在安装之前应了解现场情况，包括：

1．安装传感器处距主机距离为多少；

2．管道材质、管壁厚度及管径；

3．管道年限；

4．流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管；

5．流体温度；

6．安装现场是否有干扰源（如变频、强磁场等）；

7．主机安放处四季温度；

8．使用的电源电压是否稳定；

9．是否需要远传信号及种类；

根据以上提供的现场情况，厂家可针对现场情况进行配置，必要情况下也可特制机型。

安装位置

选择安装管段对测试精度影响很大，所选管段应避开干扰和涡流这两种对测量精度影响较大的情况，一般选择管段应满足下列条件：

1、避免在水泵、大功率电台、变频，即有强磁场和震动干扰处安装机器；

2、选择管材应均匀致密，易于超声波传输的管段；

3、要有足够长的直管段，安装点上游直管段必须要大于10D（注：D=直径），下游要大于5D；

4、安装点上游距水泵应有30D距离；

5、流体应充满管道；

6、管道周围要有足够的空间便于现场人员操作，地下管道需做测试井，测试井如下：

安装方式

超声波流量计一般有两种探头安装方式，即Z法和V法。

但是,当D < 200mm而现场情况为下列条件之一者,也可采用Z法安装：

1、当被测量流体浊度高，用V法测量收不到信号或信号很弱时；

2、当管道内壁有衬里时；

3、当管道使用年限太长且内壁结垢严重时；

对于管道条件较好者，即使D稍大于200mm，为了提高测量精度，也可采用V法安装。

探头位置

1、将管道参数输入仪表，选择探头安装方式，得出安装距离；

2、在水平管道上，一般应选择管道的中部，避开顶部和底部（顶部可能含有气泡、底部可能有沉淀）；

3、V法安装：先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点。

Z法安装：先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点，然后测出此点在管道另一侧的对称点。

管道处理

确定探头位置之后，在两安装点±100mm范围内，使用角磨砂轮机、锉、砂纸等工具将管道打磨至光亮平滑无蚀坑。

要求：光泽均匀，无起伏不平，手感光滑圆润。需要特别注意，打磨点要求与原管道有同样的弧度，切忌将安装点打磨成平面，用酒精或汽油等将此范围擦净，以利于探头粘接。

接线

探头与仪表接线

探头（传感器）

探头根据实际测量管道可分三种：

S型传感器(15~100mm)

M型传感器(50~700mm)

L型传感器(300~6000mm)

微调探头

接完线后把探头内部用硅胶注满，放置半小时，然后用硅胶和卡具把探头固定到打磨好的管道上（注意探头方向，引线端向外），然后观察仪表的信号强度、良度与传输时间比，如发现不好，则细微调整探头位置，直到仪表的信号达到规定的范围之内：

（信号强度：一般应大于6.5，少数可根据现场具体情况另定。）

（信号良度：低峰值一般为7～14，高峰值一般为25～80。）

（传输时间比：在100±4范围之内，此值必须稳定。）

固定探头

仪表信号调整好以后，用所配卡具将探头固定好，注意不要使钢丝绳倾斜，以免拉动探头，使探头移位，再用硅胶将探头与管道接触的四周封住。此胶凝固大约需一天时间，在未干之前必须注意探头防水。（信号线的外屏蔽线必须可靠接地）。

超声波流量计主要技术指标：

安装超声波流量计可按照以下步骤操作：

一：观察安装现场管道是否满足直管段前10D后5D以及离泵30D的距离。(D为管道内直径)

二：确认管道内流体介质以及是否满管。

三：确认管道材质以及壁厚(充分考虑到管道内壁结垢厚度)

四：确认管道使用年限，在使用10左右的管道，即使是碳钢材质，最好也采用插入式安装。

五：前四步骤完成后可确认使用何种传感器安装

六：开始向表体输入参数以确定安装距离。

七：非常重要：精确测量出安装距离。

八：安装传感器——调试信号——做防水——归整好信号电缆——清理现场线头等废弃物 ——安装结束——验收签字

图纸分解

包括：测量流动通道6，被测量的流体通过其中流动；超声波换能器8和9，分别设置在沿测量流动通道6彼此相对的上游端和下游端；上游孔眼11和下游孔眼12，用于使超声波换能器8和9暴露于该测量流动通道6；第一流体抑制器15，至少邻近下游孔眼12，用于减少被测量的流体流入孔眼12；第二流体抑制器16，被设置在测量流动通道6的上游端并相对于孔眼11和12，用于减少被测量的流体流入孔眼11和12；测量控制部件19，用于测量超声波换能器8和9之间的超声波的传播时间；及计算部件20，用于根据该测量控制部件19的信号计算流量。为下游孔眼12设置的第一流体抑制器15包括具有至少一个超声波传输孔22的孔眼密封部件21。因此，有可能稳定超声波换能器之间的流体，以便增强超声波的接收水平，从而提高测量精度和对流量测量的上限值，并减少对于超声波换能器的驱动输入。

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

3、超声波流量计对管道的要求非常严格 不能有异响 否则会影响测量误差很大

超声波在传播过程中，由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收，其强度会产生衰减。不论是超声波流量计还是超声波物位计，对所接受的声波强度都有一定要求，所以都要对各种衰减进行抑制。

4、瞬时流量波动大?

　　信号强度大,本身测量流体波动大.

　　解决方法:调整好探头位置,提高信号强度,保证信号强度稳定,如本身流体波动大,则位置不好,重新选点,确保前10D后5D的工况要求.

5、外夹式超声波流量计信号低?

　　这个取决于仪表本身的技术含量,经过现场大量的测试实例证明,像管道时间长,结垢严重,管径大的问题,艾拓利尔AFTU-2W系列较其他外夹式超声波流量计,出信号非常快,而且信号很稳定。.

　　解决方法:对于管径大、结垢严重、建议选用品质好的外夹式超声波流量计，探头安装处管道要打磨干净,用耦合剂或耦合片排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效地传入管道内，保证探测面上有足够的声强透射率.

6、测量介质中偶尔有气泡产生,用时差法的超声波流量计是否有影响？

　　今艾拓利尔AFTU-2W系列外夹式超声波流量计有双模式,当有气泡时,可以自动转入多普勒模式去测量,当气泡消失时,会自动转入时差法测量.

7、仪表在现场强干扰下无法使用？

　　现场有变频器或高电压电缆场强电磁干扰

　　建议：远离变频器或高电压电缆场强电磁干扰

8、目前市场上外夹式的超声波流量计管径最小能测到多少?温度最高多少？

　　解答：现在全世界只有艾拓利尔AFTU-2W系列最小管径能测到6mm,温度能测到550℃，像测熔盐和导热油这类工况，这是其他品牌流量计无法做到的。

9、怎样选择一款合适的超声波流量计？

　　解答： 管道材质、管壁厚度及管径；流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管；流体温度，流量计类型，是便携的还是固定在线的。