近幾年來,隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快,基于不同原理,適用于不同場合的各種型式的超聲波流量計(jì)得到了廣泛應(yīng)用,同時也對廣大用戶提出了如何認(rèn)識超聲波流量計(jì)、怎樣選擇合適的類型,使用中應(yīng)注意些什么問題等一系列問題,本文綜合國內(nèi)超聲波流量計(jì)目前的發(fā)展情況及多年應(yīng)用的實(shí)踐,對上述問題進(jìn)行了一些探討。

1 超聲波流量計(jì)的分類

超聲波流量計(jì)的種類很多,依照不同的分類的方法,可以分為不同類型的超聲波流量計(jì)。

1.1 多譜勒式超聲波流量計(jì)

多譜勒式超聲波流量計(jì)是以利用多譜勒效應(yīng)原理來測量流體流量的。

如圖1,換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號,經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆粒或氣泡后,頻率發(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),介與fd之差即為多譜勒頻差九。

1.2 時差式超聲波流量計(jì)

時差式超聲波流量計(jì)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,換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號,這是順流方向。

2區(qū)別

根據(jù)超聲波流量計(jì)使用場合不同,可以分為固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)。

2.1這兩類超聲波流,計(jì)的主要區(qū)別

(l)適用的場合不同

固定式超聲波流量計(jì)用于安裝在某一固定位置,對某一特定管道內(nèi)流體的流量進(jìn)行長期不間斷計(jì)量;便攜式超聲波流量計(jì)具有很大的機(jī)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

固定式超聲波流量計(jì)要求長期連續(xù)運(yùn)行,所以要使用22Ov交流電源,便攜式超聲波流量計(jì)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5一10h〔小時〕,大大方便了不同場合臨時性流量測量的需要。

(3)部分功能不同

固定式超聲波流量計(jì),通常都有4一20mA信號輸出等功能,供遠(yuǎn)傳顯示使用,但其內(nèi)部只能存貯一條管道的參數(shù);便攜式超聲波流量計(jì)只是為了現(xiàn)場查看當(dāng)時流量和短時間內(nèi)的累計(jì)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,它具有豐富的貯存功能,可以同時存貯數(shù)十條不同管道的參數(shù),供**調(diào)出使用。

2.2換能器供電方式不同

可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計(jì)。

(l)外貼式

外貼式超聲波流量計(jì)是生產(chǎn)*早、用戶*熟悉且應(yīng)用*廣泛的超聲波流量計(jì),安裝換能器無需管道斷流,即貼即用,它充分體現(xiàn)了超聲波流量計(jì)安裝簡單、使用方便的特點(diǎn)。

(2)管段式

某些管道因材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良,或者銹蝕嚴(yán)重,襯里和管道內(nèi)空間有間隙等原因,導(dǎo)致超聲波信號衰減嚴(yán)重,用外貼式超聲波流量計(jì)無法正常測量,所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計(jì)。管段式超聲波流量計(jì)把換能器和測量管組成一體,解決了外貼式流量計(jì)在測量中一個難題。而且測量精度也比其它超聲波流量計(jì)要高,但同時也犧牲了外貼式超聲波流量計(jì)的不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn),要求切開管道安裝換能器。

(3)插入式

插入式超聲波流量計(jì)介于上述二者中間。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。

3超聲波流量計(jì)的選型

超聲波流量計(jì)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)字式超聲波流量計(jì),把換能器和轉(zhuǎn)換器做在一起的一體式超聲波流量計(jì),等等。面對眾多類型的超聲波流量計(jì),用戶要根據(jù)實(shí)際情況和測量需要合理選型。

3.1多譜勒式超聲波流量計(jì)

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。選擇此類超聲波流量計(jì)既要對被測介質(zhì)心中有數(shù),也要對所選用的超聲波流量計(jì)的性能、精度和對被測介質(zhì)的要求有深人的了解。

3.2便攜式超聲波流量

適用于臨時性測量,主要用于校對管道上已安裝其它流量儀表的運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)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,選用便攜式超聲波流量計(jì)既方便又經(jīng)濟(jì)。

3.3時差式超聲波流量計(jì)

目前生產(chǎn)*多、應(yīng)用范圍*廣泛的是時差式超聲波流量計(jì)。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,而且精度可達(dá)士1.5%。實(shí)際應(yīng)用表明,選用時差式超聲波流量計(jì),對相應(yīng)流體的測量都可以達(dá)到滿意的效果。

3.4管道式超聲波流量計(jì)

精度*高,可達(dá)到士0.5%,而且不受管道材質(zhì)、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,成本也會隨之增加,通常情況下,選用中小口徑的管段式超聲波流量計(jì),較為經(jīng)濟(jì)。

3.5固定式超聲波流量計(jì)

如果有足夠的安裝空間,使用插人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(hù)工作量。而且,由于插人式換能器也可以不斷流安裝,所以其應(yīng)用正在不斷推廣。

有的廠家推出了內(nèi)部為數(shù)字化電路的超聲波流量計(jì),其特點(diǎn)是采用數(shù)字電路處理信號,糾錯能力增強(qiáng),取樣及時,精度提高(模擬電路的精度為士1.5%,數(shù)字電路可以達(dá)到土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(shí)際應(yīng)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(jì)進(jìn)行比較。

超聲波流量計(jì)的功能選擇,用戶可以根據(jù)實(shí)際情況來確定。如果測量雙向流體,一定要選擇帶有正負(fù)計(jì)量功能的超聲波流量計(jì);如果用戶需要定期了解流體在某一時段有流量情況,可選擇帶打印機(jī)的超聲波流量計(jì)。總之,所選擇的超聲波流量計(jì)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。

4 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用

超聲波流量計(jì)在應(yīng)用中,需要注意以下幾個方面的問題:

4.1正確選型

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

4.2合理安裝

換能器安裝不合理是超聲波流量計(jì)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(jī)等污染電源的場合。在安裝方式上,主要有對貼安裝方式和V方式、Z方式三種,如圖3。多譜勒式超聲波流量計(jì)采用對貼式安裝方式,時差式超聲波流量計(jì)采用V方式或Z方式,通常情況下,管徑小于30Omm時,采用V方式安裝,管徑大于Zoomm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(shí)踐表明,Z方式安裝的換能器超聲波信號強(qiáng)度高,測量的穩(wěn)定性也好。

4.3及時核校

對于現(xiàn)場安裝固定式超聲波流量計(jì)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波流量計(jì),用于核校現(xiàn)場儀表的測量情況。一是堅(jiān)持一裝一校,即對每一臺新裝超聲波流量計(jì)在安裝調(diào)試時進(jìn)行核校,確保選位好、安裝好、測量準(zhǔn);二是對在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)發(fā)生流量突變時,要利用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)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(shí)發(fā)生了變化。

4.4定期維護(hù)

與其它流量儀表相比,超聲波流量計(jì)的維護(hù)量是比較小的。對于外貼換能器超聲波流量計(jì),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;插人式超聲波流量計(jì),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;如果是一體式超聲波流量計(jì),要檢查流量計(jì)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,等等。定期維護(hù)可以確保超聲波流量計(jì)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4.5故障排除

超聲波流量計(jì)常見的故障原因及排除故障的方法如表: