超声波流量计的工作原理和应用

超声流量计是通过检测流体流动对超声束的作用来测量流量的仪表。

超声流量计的工作原理

封闭管道用超声流量计按测量原理主要有传播时间法和多普勒效应法。

（1）传播时间法：传播时间法超声流量计工作原理如图4-10所示，利用一对超声波换能器相向收发超声波，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。

超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速V_m所减慢。

图4-10 传播时间法原理图

a）原理结构 b）简化图

反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快

上面两式相减并变换可得

式中 L——超声波在换能器之间传播路径的长度（m）；

x——传播路径的轴向分量（m）；

t₁₂——从换能器1到换能器2的传播时间（s）；

t₂₁——从换能器2到换能器1的传播时间（s）；

c——超声波在静止流体中的传播速度（m/s）；

V_m——流体通过换能器1、2之间声道上平均流速（m/s）。

测量和计算的流速是声道上的线平均流速，计算流量所需是流通横截面的面平均流速，二者的数值是不同的，差异取决于流速分布状况。

因此，必须用一定的方法对流速分布进行补偿。对于夹装式换能器仪表，还必须对折射角受温度变化进行补偿，才能精确的测得流量。

体积流量q_v为

式中 K——流速分布修正系数，K=V_m/V；

D_N——管道内径。

管道雷诺数变化K值将变化，仪表范围度为10时，K值变化约为1%；仪表范围度为100时，K值约变化2%。流动从层流转变为紊流时，K值要变化约30%。所以要精确测量时，必须对K值进行动态补偿。

（2）多普勒（效应）法：多普勒（效应）法是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。

图4-11 多普勒效应法原理图

超声换能器A向流体发出频率为f_A的超声波，经照射域内液体中散射体，散射的超声波产生多普勒频移f_d，接收换能器B收到频率为f_B的超声波，其值为：(www.xing528.com)

多普勒频移f_d正比于散射体流动速度

流速方程式为

流量方程式为

式中 K_d——散射体的“照射域”在管中心附近的系数，其值不适用于在大管径或含较多

散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数。

超声波在静止流体中的传播速度c是温度的函数，液体温度变化会引起误差。由于固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级，即流体声速c用声楔的声速c₀取代，以减小用液体声速时的影响。由图4-12可得

由流速方程式可得

由此可得体积流量公式

式中 K_d——流速分布修正系数。

图4-12 声楔的射角

安装超流可按照以下步骤操作：

1）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）。

2）确认管道内流体介质以及是否满管。

3）确认管道材质以及壁厚（充分考虑到管道内壁结垢厚度）。

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

5）前四步骤完成后可确认使用何种传感器安装。

6）开始向表体输入参数以确定安装距离。

7）精确测量出安装距离（非常重要）：

① 外夹式可选安装传感器大概距离，然后不断调试活动传感器以达到信号和传输比最好的匹配。

② 插入使用专用工具测量管道上安装点距离，这个距离很重要，它直接影响表的实际测量精度，所以最好进行多次测量以求较高精度。

8）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。