超聲波熱量表

一、超聲波熱量表原理

根據對信號檢測的原理，超聲流量計可分為傳播速度差法（直接時差法、時差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。

1、時差法：測量順逆傳播時傳播速度不同引起的時差計算被測流體速度。

它采用兩個聲波發送器（SA和SB）和兩個聲波接收器

圖1

（RA和RB）。同一聲源的兩組聲波在SA與RA之間和SB與RB之間分別傳送。它們沿著管道安裝的位置與管道成θ角(一般θ=45°)（圖1）。由于向下游傳送的聲波被流體加速，而向上游傳送的聲波被延遲，它們之間的時間差與流速成正比。也可以發送正弦信號測量兩組聲波之間的相移或發送頻率信號測量頻率差來實現流速的測量。

2、相位差法：測量順逆傳播時傳播時由于時差引起的相位差計算速度。

它的發送器沿垂直于管道的軸線發送一束聲波，由于流體流動的作用，聲波束向下游偏移一段距離。偏移距離與流速成正比。

3、頻差法：測量順逆傳播時傳播時的聲環頻率差。

當超聲波在不均勻流體中傳送時，聲波會產生散射。流

圖2

體與發送器間有相對運動時，發送的聲波信號和被流體散射后接收到的信號之間會產生多普勒頻移。多普勒頻移與流體流速成正比。如圖2中被測流體的區域位于發射波束與接收到的散射波束的交叉之處。要求波束很窄，使兩波束的夾角θ不致受到波束寬度影響。也可只采用一個變換器既作為發送器又作為接收器，這種方式稱為單通道式。在單通道多普勒血液流量計中，發送器間隔地發送聲脈沖信號，在兩個聲脈沖間隔的時間中，接收從血管壁和血管內紅血球反射回來的聲脈沖信號。采用控制線路選擇給定距離處的紅血球反射信號,通過比較后得到多普勒頻移,它與血液流速成正比。在已知血管橫截面時可得到血液流量。

二、特點

(1)超聲波熱量表可作非接觸測量。夾裝式換能器超聲流量計可無須停流截管安裝，只要在既設管道外部安裝換能器即可。這是超聲流量計在工業用流量儀表中具有的*優點，因此可作移動性（即非定點固定安裝）測量，適用于管網流動狀況評估測定。

(2)超聲波熱量表為無流動阻撓測量，無額外壓力損失。

(3)超聲波熱量表適用于大型圓形管道和矩形管道，且原理上不受管徑限制，可認為是在無法實現實流校驗的情況下優先考慮的選擇方案。

(4)超聲波熱量表可測量非導電性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計的一種補充。

(5)某些傳播時間法超聲流量計附有測量聲波傳播時間的功能，即可測量液體聲速以判斷所測液體類別。例如，油船泵送油品上岸，可核查所測量的是油品還是倉底水。

(6)傳播時間法超聲流量計只能用于清潔液體和氣體。

(7)外夾裝換能器的超聲流量計不能用于襯里或結垢太厚的管道，也不能用于襯里（或銹層）與內管壁剝離（若夾層夾有氣體會嚴重衰減超聲信號）或銹蝕嚴重（改變超聲傳播路徑）的管道。

三、參數

* 測量精度：優于1％

* 重 復 性：優于0.2%

* 測量周期：500ms (每秒2次，每個周期采集128組數據)

* 工作電源：220VAC/8~36VDC

* zui大流速：64m/s(流速分辨率0.001m/s)

* 顯    示：2×10漢字背光液晶可顯示瞬時流量及正、負、凈累積流量、流速等

* 操    作：4×4輕觸鍵盤 (F4主機磁性4按鍵) 操作

* 信號輸入：◇3路4-20mA模擬輸入,精度0.1%,可輸入壓力、液位、溫度等信號

            ◇2路三線制PT100鉑電阻

* 信號輸出：◇1路隔離RS485輸出

　　        ◇1路4-20mA或0-20mA輸出

            ◇1路隔離OCT (脈沖寬度6~1000ms之間可編程，默認200ms)

            ◇1路繼電器輸出 (脈沖寬度200ms )

* 數據存儲：選配內置數據存儲器（SD卡) 可存儲時間、瞬時流量、累積流量、信號狀態等，通過軟件可將數據導入計算機，便于統計與管理* 通訊協議：MODBUS協議，M-BUS協議，FUJI擴展協議，并兼容國內其它廠家同類產品的通訊協議

* 其它功能：◇自動記憶前512天、前128個月、前10年正/負/凈累積流量

            ◇自動記憶前30次上、斷電時間和流量并可實現流量的自動或手動補加，可通過MODBUS協議讀出

            ◇可編程批量（定量）控制器，故障自診斷功能

            ◇可通過傳送來的代碼文件實現軟件升級

* 防護等級：傳感器IP68，F4主機IP68，其余主機IP65                         

* 防爆等級：EXdⅡBT4 (JN-100F2型)

四、選型分類

1.管道式超聲波流量計

精度zui高，可達到?0.5%，而且不受管道材質、襯里的限制，適用于流量測量精度要求高的場合。但隨著管徑的增大，成本也會隨增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計，較為經濟。

2.時差式超聲波流量計

時差式超聲波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。

目前生產zui多、應用范圍zui廣泛的是時差式超聲波流量計。它主要用來測量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業用水領域，得到廣泛應用。

3.便攜式超聲波流量計

主要用于校對管道上已安裝其它流量儀表的運行狀態，進行一個區域內的流體平衡測試 ，檢查管道的當時流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時，選用便攜式超聲波流量計既方便又經濟。

4.多普勒超聲波流量計

換能器經過管道內液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發生偏移，當管道條件、換能器安裝位置、發射頻率、聲速確定以后，通過測量頻移就可得到流體流速，進而求得流體流量。只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水、雜志含量穩定的工廠過程液等。要注意它對被測介質要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時雜質含量要相對穩定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對被測廠家的要求也不一樣。

5.固定式超聲波流量計

使用插入式換能器代替外貼式換能器，*消除了管襯、結垢及管壁對超聲波信號衰減的影響，測量穩定性更高，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，所以其應用正在不斷推廣。 有的廠家推出了內部為數字化電路的超聲波流量計，其特點是采用數字電路處理信號，糾錯能力增強，取樣及時，精度提高(模擬電路的精度為?1.5%，數字電路可以達到?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，在實際應用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波流量計進行比較。 超聲波流量計的功能選擇，用戶可以根據實際情況來確定。如果測量雙向流體，一定要選擇帶有正負計量功能的超聲波流量計；如果用戶需要定期了解流體在一定時段有流量情況，可以選擇帶打印機的超聲波流量計。

五、安裝

1)安裝位置和流動方向USF的流量傳感部分(超聲流量傳感器或超聲換能器)一般均可安裝于水平、傾斜或垂直管道。垂直管道選擇自下而上流動的場所，若為自上而下，則其下游應有足夠的背壓，例如有高于測量點的后續管道，以防止測量點出現非滿管流。

2)單向流還是雙向流通常為單向流，但也可通過較復雜電子線路，設計成雙向流動，此時流量測量點兩側直管段長度均應按上游直管段的要求布置。

3)管道條件外夾裝式USF管道內表面積沉積層會產生聲波不良傳輸和偏離預期聲道路徑和長度，應予避免；外表面因易于處理較少影響。夾裝式換能器和管道接觸表面要涂上耦合劑。應注意粒狀結構材料(例如鑄鐵、混凝土)的管道，很可能聲波被分散，大部分聲波傳送不到流體而降低性能。換能器安裝處管道襯里或銹蝕層與管壁之間不能有縫隙。用V法的反設處必須避開焊縫和接口(參見圖11)。

4)上游流動擾動與大部分其他流量儀表一樣，USF敏感于流過儀表的流速分布剖面，因此也要求相當長度的上游直管段。前文已對直管段要求作了討論。

5)防止聲干擾應注意由控制閥高壓力降等所形成的聲學干擾，特別在測量氣體流量時尤為重要，設法避免之。例如Instromet公司的USF顯示儀中有聲干擾實時測量報警；測量管道中采用如圖9所示彎管阻斷聲干擾的措施。