超聲波流量計(jì)及其在測(cè)量中應(yīng)注意的幾個(gè)問題
近年來，隨著工業(yè)及電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波實(shí)用技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，超聲波流量計(jì)即是非常成功的一例。如今，超聲波流量計(jì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種流體的測(cè) 量，在測(cè)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(jì)原理及其在測(cè)量中應(yīng)注意的實(shí)際問題作一介紹。
1 3個(gè)基本假定
傳播速度差法超聲波流量計(jì)測(cè)量的流速只是管路某一個(gè)直徑方向上的平均流速，該測(cè)量值是線平均，不是一般要求的面平均。因此，該測(cè)量值與實(shí)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(cè)量精度的影響大約在1%以下?；诖?，在根據(jù)幾何聲學(xué)原理推導(dǎo)超聲波流量計(jì)基本方程時(shí)，應(yīng)遵循3個(gè)基 本假定：
（1）管道內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)各點(diǎn)流速沿橫截面均勻分布，并認(rèn)為等于平均流速；
（2）不考慮超聲波射線在流動(dòng)媒質(zhì)中傳播時(shí)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(rèn)為管道內(nèi)壁光滑。
2 流量計(jì)原理
超聲波流量計(jì)是在管路的外側(cè)壁上下游相向地安裝一對(duì)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(gè)探頭能接收另一個(gè)探頭發(fā)出的波信號(hào)，如圖1所示。
根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，利用流體傳播超聲的特性，聲波向上游傳播時(shí)速度為：
C - Vcosθ；
時(shí)間為：t1 = D/（C - Vcosθ）；
聲波向下游傳播時(shí)速度為：C + Vcosθ；
時(shí)間為：t2 = D/（C + Vcosθ）；
傳播的時(shí)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(shí)流量，并得累計(jì)流量。
瞬時(shí)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(duì)稱軸沿管軸平行流動(dòng)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(dòng)的速度分量時(shí)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(cè)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(duì)稱，單通道時(shí)順流和逆流測(cè)量時(shí)參數(shù)的不一致所引起的誤差，稱為附加溫度誤差，是隨機(jī)誤差。
（3）流速斷面上實(shí)際流速分布與理想流速分布不一致而引起的測(cè)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(duì)測(cè)量的干擾產(chǎn)生的誤差。
（5）超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)的衰減、散射等對(duì)測(cè)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(jì)的優(yōu)點(diǎn)
（1）測(cè)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(duì)任何流體進(jìn)行測(cè)量；
（2）測(cè)量方式多，非接觸式，可對(duì)不易接觸和觀察的流體進(jìn)行測(cè)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(cè)量簡(jiǎn)便，指示讀數(shù)與所測(cè)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(jì)；
（5）測(cè)量精度高；
（6）可以將轉(zhuǎn)換器與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連接，更方便地對(duì)流量計(jì)進(jìn)行控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種操作，如讀取、存儲(chǔ)、打印、分析等。
6 使用過程中的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)
（1）被測(cè)介質(zhì)中顆粒不能太大顆粒太大，超聲波的衰減將增大，測(cè)量精度就會(huì)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(duì)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(dòng)。
（3）探頭前后設(shè)有一定的直管段。流量計(jì)受流速分布的影響很大，所以探頭設(shè)置的場(chǎng)所應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離泵、閥門等流動(dòng)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(shí)探頭應(yīng)置于管道的側(cè)面。因?yàn)闅馀菀话慵墼诠艿赖纳戏?，大的異物則沿管道的底部流動(dòng)，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(jì)主機(jī)問的電纜不宜太長(zhǎng)，一般應(yīng)為500m以下，且遠(yuǎn)離電磁場(chǎng)，以免受到電磁場(chǎng)干擾。影響測(cè)量精度。