超聲波流量計及其在測量中應(yīng)注意的幾個問題
近年來，隨著工業(yè)及電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波實用技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，超聲波流量計即是非常成功的一例。如今，超聲波流量計已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種流體的測 量，在測量工作中起著非常重要的作用。本文就傳播速度差法超聲波流量計原理及其在測量中應(yīng)注意的實際問題作一介紹。
1 3個基本假定
傳播速度差法超聲波流量計測量的流速只是管路某一個直徑方向上的平均流速，該測量值是線平均，不是一般要求的面平均。因此，該測量值與實際流量值之間存在 一定的誤差，但一般地說，如果流速分布的變化不大，測量精度的影響大約在1%以下。基于此，在根據(jù)幾何聲學(xué)原理推導(dǎo)超聲波流量計基本方程時，應(yīng)遵循3個基 本假定：
（1）管道內(nèi)流體質(zhì)點各點流速沿橫截面均勻分布，并認為等于平均流速；
（2）不考慮超聲波射線在流動媒質(zhì)中傳播時的曲線軌跡和傳播方向的改變；
（3）忽略聲導(dǎo)折射面上的曲率，并認為管道內(nèi)壁光滑。
2 流量計原理
超聲波流量計是在管路的外側(cè)壁上下游相向地安裝一對能發(fā)射和接收超聲波的探頭，即超聲波發(fā)生器和接收器，并使每個探頭能接收另一個探頭發(fā)出的波信號，如圖1所示。
根據(jù)運動學(xué)原理，利用流體傳播超聲的特性，聲波向上游傳播時速度為：
C - Vcosθ；
時間為：t1 = D/（C - Vcosθ）；
聲波向下游傳播時速度為：C + Vcosθ；
時間為：t2 = D/（C + Vcosθ）；
傳播的時間差值為：△T，即速度差：
△T = t1 - t2 = D/（C - Vcosθ）- D/（C + Vcosθ）
由于液體流速V在每秒數(shù)米以下，而流體中聲速C約1500m/s，C2>>V2，
所以：
△T = 2VDcosθ/C2
即：
V = C2△T/（2Dcosθ） （1）
式中：C 為靜止流體中的聲速，m/s；
V 為流體速度；
D 為探頭之間的距離，m；
θ為速度矢量和探頭取向問所形成的角度。
從式（1）可以看出，從發(fā)生器發(fā)的超聲波傳到接收器的速度變化與管路內(nèi)的流體流速成正比。據(jù)此把管道參數(shù)置入儀器，采集數(shù)據(jù)經(jīng)變換器變換即得到瞬時流量，并得累計流量。
瞬時流量為：
Q = 450πDC2△Tsinθtanθ（m3/h）
3 安裝方式
（1）直接透過法，又稱Z法，主要適用于流體以管軸為對稱軸沿管軸平行流動的情形，如圖2所示。
（2）反射法，又稱V法，主要適用于流體方向與管軸不平行，存在著沿半徑方向流動的速度分量時的情形。設(shè)該速度分量為W，超聲波射線傳播方向與管軸成θ 角，于是在超聲波的傳播方向上便產(chǎn)生Wsinθ的分量：若按V法安裝傳感器，此分量便可以相互抵消，如圖3所示。
（3）交叉法，又稱X法，同V法，是V法的變形，如圖4所示。
4 誤差分析
主要誤差：
（1）被測介質(zhì)溫度或濃度的變化引起聲速的相應(yīng)變化，這稱為純溫度、純濃度誤差，是系統(tǒng)的固有誤差，可以利用系數(shù)來修正。
（2）雙通道參數(shù)的不對稱，單通道時順流和逆流測量時參數(shù)的不一致所引起的誤差，稱為附加溫度誤差，是隨機誤差。
（3）流速斷面上實際流速分布與理想流速分布不一致而引起的測量誤差，稱為流速斷面誤差，可以利用系數(shù)來修正。
（4）聲波在聲道中多次反射引起對測量的干擾產(chǎn)生的誤差。
（5）超聲波在媒質(zhì)中傳播時的衰減、散射等對測量精度產(chǎn)生的影響。
（6）管道內(nèi)氣泡的影響。
5 超聲波流量計的優(yōu)點
（1）測量范同廣，不受流體物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的影響，可以對任何流體進行測量；
（2）測量方式多，非接觸式，可對不易接觸和觀察的流體進行測量；
（3）安裝方便，直接安裝于管道上，不需設(shè)置專門的流量井和太大的安裝空間；
（4）測量簡便，指示讀數(shù)與所測流體流量成線性函數(shù)，便于流量的直接讀數(shù)、記錄和累計；
（5）測量精度高；
（6）可以將轉(zhuǎn)換器與標準工業(yè)控制計算機相連接，更方便地對流量計進行控制，對數(shù)據(jù)進行各種操作，如讀取、存儲、打印、分析等。
6 使用過程中的幾點注意事項
（1）被測介質(zhì)中顆粒不能太大顆粒太大，超聲波的衰減將增大，測量精度就會下降；
（2）管路中不能產(chǎn)生氣窩。在含有過多氣泡的液體中，超聲波不易透過，所以空氣對超聲波的衰減比較厲害，探頭一般應(yīng)安裝在水流上流的管道上或水平管道的兩 側(cè)面，不宜安裝在管道底部和頂部，頂部易于集聚氣泡，而大的異物通常沿底部流動。
（3）探頭前后設(shè)有一定的直管段。流量計受流速分布的影響很大，所以探頭設(shè)置的場所應(yīng)盡可能遠離泵、閥門等流動紊亂的地方，其前后須***設(shè)有必要的直管段， 上流側(cè)需要直管段10D（D為管道直徑）以上，下流側(cè)需要5D左右，探頭距離水泵50D以上，距流量控制閥門30D以上。
（4）安裝時探頭應(yīng)置于管道的側(cè)面。因為氣泡一般集聚在管道的上方，大的異物則沿管道的底部流動，他們都將造成超聲波的衰減。
（5）探頭安裝的地方不能有腐蝕性氣體，以避免探頭腐蝕、損壞。
（6）轉(zhuǎn)換器與流量計主機問的電纜不宜太長，一般應(yīng)為500m以下，且遠離電磁場，以免受到電磁場干擾。影響測量精度。