一 概述

      近幾年來，基于不同原理，適用于不同場合的各種形式的超聲流量計得到了廣泛應(yīng)用，同時也對廣大用戶提出了如何認識超聲流量計、怎樣選擇合適的類型、使用中應(yīng)注意些什么等一系列問題。本文綜合國內(nèi)超聲流量計目前的發(fā)展情況及多年應(yīng)用的實踐，對上述問題進行了一些探討。

      二 超聲流量計的分類

      1 按使用原理分類

      （1）多譜勒式超聲流量計

      多譜勒式超聲流量計是利用多譜勒效應(yīng)原理來測量流體流量的。

      如圖1所示，換能器1發(fā)射頻率為f₁的超聲波信號，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；驓馀莺螅l率發(fā)生偏移，以f₂的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒效應(yīng)，f₂與f₁之差即為多譜勒頻差f_d。

      設(shè)流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移f_d正比于流體流速v，即：

所以流體流速

      當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f₁、θ即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進而求得流體流量。

      （2）時差式超聲流量計

      時差式超聲流量計是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。

      如圖2所示，換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號，這是順流方向，其傳播時間為：

反之，逆流方向的傳播時間為：

時間差為：

由于c>>v，故

所以，流體流速

      同樣，c、L、q均為常數(shù)，測得時間差Δt即可求出流體流速v，進而求得流體流量。

      2 按使用場合分類

      根據(jù)超聲流量計使用場合不同，可以分為固定式超聲流量計和便攜式超聲流量計。
這兩類超聲流量計的主要區(qū)別在于：

      （1）適用的場合不同

      固定式超聲流量計安裝在某一固定位置，對某一特定管道內(nèi)流體的流量進行長期不間斷計量；便攜式超聲流量計具有很大的機動性，主要用于對不同管道的流體流量作臨時性測量。

      （2）供電方式不同

      固定式超聲流量計長期連續(xù)運行，所以要使用220v交流電源，便攜式超聲流量計既可以使用現(xiàn)場的交流電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5~10h，大大方便了不同場合臨時性流量測量的需要。

      （3）功能不同

      固定式超聲流量計，通常都有4~20mA信號輸出等功能，供遠傳顯示使用，但其內(nèi)部只能存儲一條管道的參數(shù)；便攜式超聲流量計只是為了現(xiàn)場查看當(dāng)時流量和短時間內(nèi)的累計流量，故一般無輸出信號功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的儲存功能，可以同時存儲數(shù)十條不同管道的參數(shù)，供隨時調(diào)出使用。

      3 按換能器供電方式分類

      根據(jù)換能器供電方式不同，可以分為外貼式、插入式、管段式3種超聲流量計。

      （1）外貼式超聲流量計

      是生產(chǎn)最早、用戶最熟悉且應(yīng)用最廣泛的超聲流量計，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現(xiàn)了超聲流量計安裝簡單、使用方便的特點。

      （2）管段式超聲流量計

      某些管道因材質(zhì)疏松、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴重、襯里和管道內(nèi)有間隙等原因，導(dǎo)致超聲波信號衰減嚴重，用外貼式超聲流量計無法正常測量，所以產(chǎn)生了管段式超聲流量計。

      管段式超聲流量計把換能器和測量管組成一體，解決了外貼式流量計在測量中一個難題，而且測量精確度也比其他超聲流量計高，但同時也犧牲了外貼式超聲流量計的不斷流安裝這一優(yōu)點，要求切開管道安裝換能器。

      （3）插入式超聲流量計

      介于上述兩者之間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號的發(fā)射、接受只經(jīng)過被測介質(zhì)，而不經(jīng)過管壁和襯里，所以其測量不受管質(zhì)和管襯材料限制。

      三 超聲流量計的選型

      超聲流量計除上述各種類型外，近年來又出現(xiàn)了采用數(shù)字化電路的數(shù)字式超聲流量計、把換能器和轉(zhuǎn)換器做在一起的一體式超聲流量計等。

      （1）多譜勒式超聲流量計只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆?；驓馀莸牧黧w，如工廠排放液、未處理的污水、雜質(zhì)含量穩(wěn)定的工廠過程液等。要注意它對被測介質(zhì)要求比較苛刻，既不能是潔凈水，同時雜質(zhì)含量要求相對穩(wěn)定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對被測介質(zhì)要求也不一樣。選擇此類超聲流量計既要對被測介質(zhì)心中有數(shù)，也要對所選用的超聲流量計的性能、精確度和對被測介質(zhì)的要求有深入的了解。

      （2）便攜式超聲流量計適用于臨時性測量，主要用于核校管道上已安裝的其他流量儀表的運行狀態(tài)，進行一個區(qū)域內(nèi)的流體平衡測試，檢查管道的當(dāng)時流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時，選用便攜式超聲流量計既方便又經(jīng)濟。

      （3）時差式超聲流量計是目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍最廣泛的超聲流量計。它主要用來測量潔凈的液體流量，在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。此外它也可以測量雜質(zhì)含量不高（雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均質(zhì)流體，如污水等介質(zhì)的流量，而且精確度可達±1.5%。實際應(yīng)用表明，時差式超聲流量計對相應(yīng)流體的測量效果令人滿意。

      （4）管道式超聲流量計精確度最高，可達到±0.5%，而且不受管道材質(zhì)、襯里的限制，適用于流量測量精確度要求高的場合。但隨著管徑的增大，成本也會隨之增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲流量計，較為經(jīng)濟。

      （5）對于固定式超聲流量計，如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，徹底消除了管襯、結(jié)垢及管壁對超聲波信號衰減的影響，測量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應(yīng)用正在不斷推廣。

      （6）目前，有廠家推出了內(nèi)部為數(shù)字化電路的超聲流量計，其特點是采用數(shù)字電路處理信號，糾錯能力增強，取樣及時，精確度提高（模擬電路的精確度為±1.5%，數(shù)字電路可以達到±1.0%），而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號輸出模式供選擇，在實際應(yīng)用中也取得了很好的效果。用戶在使用中可以和模擬電路的超聲流量計進行比較。

      （7）對于超聲流量計的功能選擇，用戶可以根據(jù)實際情況來確定。如果測量雙向流體，一定要選擇帶有正負計量功能的超聲流量計；如果用戶需要定期了解流體在某一時段的流量情況，可選擇帶打印機的超聲流量計?？傊?，所選擇的超聲流量計的功能既要滿足用戶需要，也不必貪多求全，造成許多功能閑置不用，而增加購買成本。

      四 超聲流量計的應(yīng)用

      1 正確選型

      這是超聲流量計能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng)，會造成流量無法測量，或用戶使用不便等后果。具體選型原則，前面已經(jīng)作了詳細的介紹。

      2 合理安裝

      換能器安裝不合理是超聲流量計不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個問題。確定位置時除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調(diào)速器、電焊機等污染電源的場合。在安裝方式上，主要有對貼安裝和V、Z方式3種，如圖3所示。多譜勒式超聲波流量計采用對貼式安裝方式，時差式超聲波流量計采用V或Z方式，通常情況下，管徑小于300mm時，采用V方式安裝，管徑大于200mm時，采用Z方式安裝。對于既可以用V方式又可以用Z方式安裝的換能器，盡量選Z方式。實踐表明，Z方式安裝的換能器超聲波信號強度高，測量的穩(wěn)定性也好。

      3 及時核校

      對于現(xiàn)場安裝固定式超聲流量計數(shù)量大、范圍廣的用戶，可以配備一臺同類型的便攜式超聲流量計，用于核?，F(xiàn)場儀表的測量情況。一是堅持一裝一校，即對每一臺新裝超聲流量計在安裝調(diào)試時進行核校，確保選位好、安裝好、測量準(zhǔn)；二是在線運行的超聲流量計發(fā)生流量突變時，要利用便攜式超聲流量計進行及時核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實發(fā)生了變化。

      4 定期維護

      與其他流量儀表相比，超聲流量計的維護量是比較小的。對于外貼換能器超聲流量計，安裝以后無水壓損失，無潛在漏水，只需定期檢查換能器是否松動，與管道之間的粘合劑是否良好即可；插入式超聲波流量計，要定期清理探頭上沉積的雜質(zhì)、水垢，并檢查有無漏水現(xiàn)象；如果是一體式超聲流量計，要檢查流量計與管道之間的法蘭連接是否良好，并考慮現(xiàn)場溫度和濕度對其電子部件的影響等。定期維護可以確保超聲流量計的長期穩(wěn)定運行。

      5 故障排除

      超聲流量計常見的故障原因及排除故障的方法如表所示。