超聲波流量計(jì)工作原理

超聲波流量計(jì)的組成：超聲波流量計(jì)實(shí)物圖如圖所示，由圖可知超聲波流量計(jì)主要由直管段、流量傳感器、溫度傳感器、計(jì)算儀等部分組成。

根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法(直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。
當(dāng)超聲波在不均勻流體中傳送時(shí)，聲波會(huì)產(chǎn)生散射。流體與發(fā)送器間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)送的聲波信號(hào)和被流體散射后接收到的信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。多普勒頻移與流體流速成正比。

影響超聲波流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的幾個(gè)因素
一、引言
隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,計(jì)量已經(jīng)滲透到社會(huì)的各行各業(yè),與企業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。準(zhǔn)確計(jì)量已經(jīng)成為越來越多企業(yè)的迫切要求。
我國從六十年代起開始超聲波流量計(jì)的研究工作,到八十年代取得實(shí)質(zhì)性成果,但其測(cè)量準(zhǔn)確度不是很高。九十年代以后隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展,超聲波流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度得到了較大提高。但是,超聲波流量計(jì)的使用過程中受人為操作影響較大,若忽視其中一些重要的影響因素,將會(huì)大大影響超聲波流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

超聲波流量計(jì)在液體流量測(cè)量中的應(yīng)用
在石油、化工、水電等部門，對(duì)液態(tài)流體流量的檢測(cè)已成為生產(chǎn)中不可缺少的組成部分。要準(zhǔn)確地檢測(cè)流量就要依賴于有效的測(cè)試工具一流量計(jì)，傳統(tǒng)檢測(cè)方法和渦輪、孔板、電磁等流量計(jì)都需要將其傳感器安裝在管內(nèi)，并配一段安裝管，這不但不便于安裝，而且會(huì)引起流體的壓力損失、泄漏等問題，尤其是對(duì)有毒、有腐蝕性、易爆及帶放射性介質(zhì)流體的測(cè)量顯得很不適應(yīng)。為此在管道外就準(zhǔn)確可靠地測(cè)量管道中流量的超聲波流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。超聲波流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡單、壓力損失小、使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

影響便攜式超聲波流量計(jì)信號(hào)接收的不利因素分析
便攜式超聲波流量計(jì)是自來水行業(yè)用來檢測(cè)對(duì)外供水流量的一種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。在實(shí)際應(yīng)用中,自來水公司一方面用于獲得所需水流量的結(jié)果,另一方面用于校準(zhǔn)各生產(chǎn)水廠日供水中所使用的液體渦街流量計(jì),以及部分測(cè)試井所安裝的固定式超聲波流量計(jì),以使進(jìn)行水流量誤差的修正。

由于供水管網(wǎng)上的各流量測(cè)試點(diǎn)比較分散,每次水流量測(cè)試時(shí)間要求又緊,所以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)速度越快越好,以便減輕檢測(cè)人員的操作強(qiáng)度。但是,近年來發(fā)現(xiàn)探頭在水管上安裝好后,超聲波流量計(jì)傳輸信號(hào)的接收,反饋滯后:有時(shí)非常緩慢,出現(xiàn)接收信號(hào)強(qiáng)度低,甚至低于2.0以下仍沒有上升的強(qiáng)度信號(hào)反應(yīng),直接影響了測(cè)試工作。根據(jù)幾年來在水流量測(cè)試中遇到的問題,從中總結(jié)出七方面主要不利因素,現(xiàn)舉例分析如下。
1.供水管內(nèi)壁四周銹蝕嚴(yán)重,并鼓有泡形水垢。
鋼質(zhì)水管在地下安置使用多年后,內(nèi)壁容易產(chǎn)生銹蝕斑點(diǎn)。由銹蝕而引起的局部凸起點(diǎn)剝離后,與水垢沉積在一起,逐漸形成一個(gè)個(gè)的小鼓包,這對(duì)流量計(jì)信號(hào)發(fā)射和接收會(huì)造成極大的危害。
近來在水廠改建和擴(kuò)建施工中,從地下挖出拆卸下的舊水管看到,銹蝕后的水垢十分嚴(yán)重。以往在測(cè)試井點(diǎn)用便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)試時(shí),當(dāng)探頭按要求在水管上安裝好后,在有的水管上很難產(chǎn)生信號(hào)強(qiáng)度。這時(shí)需把探頭拿下,用手錘敲敲水管安裝探頭部位,水垢受震動(dòng)后會(huì)局部掉落下來,當(dāng)再把探頭安在水管上進(jìn)行測(cè)試時(shí),超聲波信號(hào)通過探頭發(fā)射和接收即恢復(fù)正常。從以上情況分析來看,原因是水垢過多干擾了超聲波信號(hào)的正常發(fā)射和接收。
2.探頭晶體發(fā)射面與水管外徑表面接觸不密貼或松動(dòng)。
當(dāng)探頭抹上鋰鈣脂油往水管表按貼時(shí),由于手壓探頭慢慢與水管外表面接觸:這時(shí)中間介質(zhì)油會(huì)有一少部分被擠出,待流量計(jì)接收信號(hào)強(qiáng)度顯示出2.0以上時(shí),即可停止按壓,隨后用多功能磁力夾緊器壓緊如手按壓力過大,中間介質(zhì)油層過薄,時(shí)間長了探頭發(fā)射和接收的信號(hào)強(qiáng)度就很難產(chǎn)生。故要及時(shí)檢查中間介質(zhì)油層厚度,不然一旦接收信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?流量測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示就會(huì)中斷。
3.供水管中有氣泡
當(dāng)探頭在供水管上安裝好后,如水管中沒有氣泡或其它干擾,流量計(jì)就會(huì)立即顯示出正常的接收信號(hào)。但水管中如有氣泡存在,對(duì)超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收十分不利。在檢査其它測(cè)試參數(shù)熒屏顯示正常,而接收信號(hào)強(qiáng)度沒有顯示時(shí),要打開供水管上的放氣閥排氣,待沒有氣泡后即可恢復(fù)水流量測(cè)試。
4.供水管中的流水沒有充滿水管。
當(dāng)探頭在供水管上安裝好后,流量計(jì)接收的強(qiáng)度信號(hào)在熒屏上仍沒有顯示,而其它預(yù)顯程序數(shù)據(jù)正常時(shí),說明供水管中的流水沒有滿管。
5.探頭信號(hào)線根部聯(lián)接處股線個(gè)別折斷,使超聲波信號(hào)無法發(fā)射。
流量計(jì)的兩個(gè)探頭使用較為頻繁,在安裝、拆卸與存放的過程中,信號(hào)線不兔要經(jīng)常卷繞,這樣在探頭根部聯(lián)接處的外層絕緣橡膠會(huì)受到磨損并產(chǎn)生裂紋,繼而信號(hào)線所包層的網(wǎng)絡(luò)屏蔽線折斷,局部信號(hào)線的個(gè)別股線也同時(shí)會(huì)折斷,致使超聲波信號(hào)不能發(fā)射。當(dāng)重新接線后,即可正常恢復(fù)工作。
6.探頭在供水管外側(cè)長期被水浸后,超聲波的信號(hào)強(qiáng)度逐漸變?nèi)酢?br/>探頭在測(cè)試井供水管上安裝后,要長年被固定在供水管外側(cè)。由于有的測(cè)試井底部出現(xiàn)滲水,長時(shí)間積水過多容易把探頭浸泡,使探頭與水管外表面接觸處的中間介質(zhì)鋰鈣脂油變質(zhì),失去粘度及吸附作用,從而引起超聲波的信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?導(dǎo)致超聲波信號(hào)不能正常發(fā)射和接收。
7.多年使用后流量計(jì)的抗干擾性能有所降低。
正常情況下如無其它干擾影響,當(dāng)探頭在水管上安裝后,流量計(jì)熒屏就會(huì)很快顯示出信號(hào)強(qiáng)度在2.0以上,水流量數(shù)值及其它數(shù)據(jù)參數(shù)也能立即顯示出來?？墒窃诙嗄觊L期使用后,數(shù)值顯示變化會(huì)逐漸慢下來,比如H符號(hào)閃現(xiàn)滯后、超過每秒要閃現(xiàn)一次的規(guī)定要求,有時(shí)達(dá)到數(shù)秒鐘或一分鐘才閃現(xiàn)一次,甚至沒有水流量顯示變化。這時(shí)需馬上給流量計(jì)接上簡易地線,或者用粗鐵絲把一頭搭在流量計(jì)的提梁上,另一頭放在地面上,這樣水流量的數(shù)值就會(huì)顯示出來。流量計(jì)使用超過8-10年時(shí)普遍都存在這種現(xiàn)象,其主要原因是電子元器件老化,靈敏性能降低,抗干擾能力顯著變差。我國zui早普遍使用的是日本富士產(chǎn)便攜式超聲波流量計(jì),此種現(xiàn)象多數(shù)用戶反映較為嚴(yán)重。
以上分析了七個(gè)方面的主要不利因素。當(dāng)用便攜式超聲波流量計(jì)對(duì)水流量進(jìn)行測(cè)試時(shí),無論是在水廠院里的測(cè)試井內(nèi),還是在野外供水管線上的測(cè)試井內(nèi),掌握這些因素對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作是會(huì)有所幫助的。

減少影響超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的因素的措施
1.減少噪音的措施
為了減少噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的影響，首先，在設(shè)計(jì)計(jì)量管道系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合評(píng)估管道中硅阻流器產(chǎn)生的噪聲。對(duì)于部分管路系統(tǒng)比較特殊的，可以咨詢流量計(jì)制造商:其次，將壓力調(diào)節(jié)閥和其他調(diào)節(jié)閥與超聲波流量正時(shí)串聯(lián)安裝。請(qǐng)咨詢制造商以評(píng)估由調(diào)節(jié)閥形成的噪聲，并掌握流量計(jì)的噪聲靈敏度。通常，如果將超聲波流量計(jì)安裝在調(diào)節(jié)器的下游，則為了減小其對(duì)流量計(jì)精度的影響，通常對(duì)上游直管段的要求更長，成本也更高。另外，如果調(diào)節(jié)閥噪聲較大，則流量計(jì)會(huì)受到正常工作的影響，因此，在調(diào)節(jié)閥的下游不應(yīng)安裝超聲波流量計(jì)。然后，在高流量，大壓差的情況下，一些流量調(diào)壓閥和控制閥會(huì)形成與超聲頻率范圍相一致的噪聲，而一些靜音調(diào)壓閥也將達(dá)到與超聲頻率范圍相一致的工作頻率。在這些因素的影響下，流量計(jì)無法正常運(yùn)行。這種噪聲的傳播方向可以是上游或下游，因此即使流量計(jì)安裝在調(diào)節(jié)閥的上游，也必須充分考慮噪聲對(duì)流量計(jì)的計(jì)量性能的影響。在這種情況下，為了達(dá)到降低噪音的目的，通常選擇的方法是處理噪音的傳輸通道，例如在調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)之間安裝彎頭通或消聲器以減少雜質(zhì)。

超聲波流量計(jì)的介紹及優(yōu)缺點(diǎn)
定義
超聲波流量計(jì)是通過檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束(或超聲脈沖)的作用以測(cè)量流量的儀表。
原理
根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法(直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。

超聲流量計(jì)和電磁流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計(jì)，是適于解決流量測(cè)量困難問題的一類流量計(jì)，特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，它是發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。
優(yōu)點(diǎn)
超聲波流量計(jì)是一種非接觸式儀表，它既可以測(cè)量大管徑的介質(zhì)流量也可以用于不易接觸和觀察的介質(zhì)的測(cè)量。它的測(cè)量準(zhǔn)確度很高，幾乎不受被測(cè)介質(zhì)的各種參數(shù)的干擾，尤其可以解決其它儀表不能的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問題。
缺點(diǎn)
現(xiàn)今所存在的缺點(diǎn)主要是可測(cè)流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測(cè)流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測(cè)量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計(jì)的測(cè)量線路比一般流量計(jì)復(fù)雜。這是因?yàn)椋话愎I(yè)計(jì)量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m/s左右，被測(cè)流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10－3數(shù)量級(jí)．若要求測(cè)量流速的準(zhǔn)確度為1%，則對(duì)聲速的測(cè)量準(zhǔn)確度需為10-5～10-6數(shù)量級(jí)，因此必須有完善的測(cè)量線路才能實(shí)現(xiàn)，這也正是超聲波流量計(jì)只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實(shí)際應(yīng)用的原因。
超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算。這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。
超聲波流量計(jì)換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動(dòng)。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動(dòng)的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件放入聲楔中，構(gòu)成換能器整體(又稱探頭)。聲楔的材料不僅要求強(qiáng)度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機(jī)玻璃，因?yàn)樗该?，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。