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解析超声波流量计的注意事项以及测量原理
　　超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。
　　根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。
　　超声流量计和超声波流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，它是发展迅速的一类流量计之一。
　　超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。它的测量准确度很高，几乎不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决仪表不能的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。
　　现今所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m/s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是10-3数量级.若要求测量流速的准确度为1%，则对声速的测量准确度需为10-5~10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。
　　超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。
　　超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件放入声楔中，构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。
　　特点功能
　　◆独特的信号数字化处理技术，使仪表测量信号更稳定、抗干扰能力强、计量更准确。
　　◆无机械传动部件不容易损坏，免维护，寿命长。
　　◆电路更优化、集成度高;功耗低、可靠性高。
　　◆智能化标准信号输出，人机界面友好、多种二次信号输出，供您任意选择。
　　◆管段式小管径测量经济又方便，测量精度高。
　　超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振动。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。
　　注意事项
　　超声波流量计正确选型才能保证流量计更好的使用。选用什么种类的超声波流量计应根据被测流体介质的物理性质和化学性质来决定，使超声波流量计的通径、流量范围、衬里材料、材料和输出电流等都能适应被测流体的性质和流量测量的要求。
　　1、精密功能检查
　　精度等级和功能根据测量要求和使用场合选择仪表精 度等级，做到经济合算。比如用于贸易结算、产品交接和能源计量的场合，应该选择精度等级高些，如1.0级、0.5级，或者更高等级; 用于过程控制的场合，根据控制要求选择不 同精度等级;有些仅仅是检测一下过程流量，无需做精确控制和计量的场合，可以选择精度等级稍低的，如1.5级、2.5级，甚至 4.0级，这时可以选用价格低廉的插入式超声波流量计。
　　可测量的介质
　　测量介质流速、仪表量程与口径 测量一般的介质时，超声波流量计的满度 流量可以在测量介质流速0.5-12m/s范围内 选用，范围比较宽。选择仪表规格(口径)不一 定与工艺管道相同，应视测量流量范围是否，在流速范围内确定，即当管道流速偏低，不能满足要求时或者在此流速下测量准 确度不能保证时，需要缩小仪表口径，从而提 高管内流速，得到满意测量结果
　　测量原理
　　当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下列表达式
　　&为声束与液体流动方向的夹角
　　M 为声束在液体的直线传播次数
　　D 为管道内径
　　Tup 为声束在正方向上的传播时间
　　Tdown为声束在逆方向上的传播时间
　　&DT=Tup &Tdown
　　设静止流体中的声速为c，流体流动的速度为u，传播距离为L，当声波与流体流动方向一致时(即顺流方向)，其传播速度为c+u;反之，传播速度为c-u.在相距为L的两处分别放置两组超声波发生器和接收器(T1,R1)和(T2,R2)。当T1顺方向，T2逆方向发射超声波时，超声波分别到达接收器R1和R2所需要的时间为t1和t2,则
　　t1=L/(c+u); t2=L/(c-u)
　　由于在工业管道中，流体的流速比声速小的多，即c&&u,因此两者的时间差为 ▽t=t2-t1=2Lu/cc 由此可知，当声波在流体中的传播速度c已知时，只要测出时间差▽t即可求出流速u，进而可求出流量Q。利用这个原理进行流量测量的方法称为时差法。此外还可用相差法、频差法等。
　　安装介绍
　　时差式超声波流量计是当今世界上具竞争力的流量测量手段，其测量线精度高于1.0%。由于工业现场特别是管路周围环境的多样性，因此，怎样根据特定的环境安装调试超声波流量计，就成了超声波流量测量领域的一个重要课题，本规程详解了超声波流量计的安装细节;从而进一步完整体现了超声波流量计的精度、可靠性和稳定性的优势，大大降低日后的维护工作甚至免维护。
　　折叠安装细解
　　超声波流量计在安装之前应了解现场情况，包括:
　　1.安装传感器处距主机距离为多少;
　　2.管道材质、管壁厚度及管径;
　　3.管道年限;
　　4.流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管;
　　5.流体温度;
　　6.安装现场是否有干扰源(如变频、强磁场等);
　　7.主机安放处四季温度;
　　8.使用的电源电压是否稳定;
　　9.是否需要远传信号及种类;
　　根据以上提供的现场情况，厂家可针对现场情况进行配置，必要情况下也可特制机型。
　　安装方式
　　超声波流量计一般有两种探头安装方式，即Z法和V法。
　　但是,当D & 200mm而现场情况为下列条件之一者,也可采用Z法安装:
　　1、当被测量流体浊度高，用V法测量收不到信号或信号很弱时;
　　2、当管道内壁有衬里时;
　　3、当管道使用年限太长且内壁结垢严重时;
　　对于管道条件较好者，即使D稍大于200mm，为了提高测量精度，也可采用V法安装
　　常见问题
　　1、超声波流量计探头使用一段时间，会出现不定期的报警。尤其是输送介质杂质较多时，这种问题会较常见。解决办法:定期清理探头(建议一年清理一次)。
　　2、超声波流量计输送介质含有水等液体杂质时，流量计引压管容易产生积液，气温较低时会出现引压管冻堵现象，尤其在北方地区冬季较常见。解决办法:对引压管进行吹扫或加电伴热
　　3、超声波流量计对管道的要求非常严格 不能有异响 否则会影响测量误差很大
　　超声波在传播过程中，由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收，其强度会产生衰减。不论是超声波流量计还是超声波物位计，对所接受的声波强度都有一定要求，所以都要对各种衰减进行抑制。
　　4、瞬时流量波动大?
　　信号强度大,本身测量流体波动大.
　　解决方法:调整好探头位置,提高信号强度,保证信号强度稳定,如本身流体波动大,则位置不好,重新选点,确保前10D后5D的工况要求.
　　5、外夹式超声波流量计信号低?
　　这个取决于仪表本身的技术含量,经过现场大量的测试实例证明,像管道时间长,结垢严重,管径大的问题,艾拓利尔AFTU-2W系列较其他外夹式,出信号非常快,而且信号很稳定。.
　　解决方法:对于管径大、结垢严重、建议选用品质好的外夹式超声波流量计，探头安装处管道要打磨干净,用耦合剂或耦合片排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效地传入管道内，保证探测面上有足够的声强透射率.
　　6、测量介质中偶尔有气泡产生,用时差法的超声波流量计是否有影响?
　　今艾拓利尔AFTU-2W系列外夹式超声波流量计有双模式,当有气泡时,可以自动转入多普勒模式去测量,当气泡消失时,会自动转入时差法测量.
　　7、仪表在现场强干扰下无法使用?
　　现场有变频器或高电压电缆场强电磁干扰
　　建议:远离变频器或高电压电缆场强电磁干扰
　　8、目前市场上外夹式的超声波流量计管径最小能测到多少?温度最高多少?
　　解答:现在全世界只有艾拓利尔AFTU-2W系列最小管径能测到6mm,温度能测到550℃，像测熔盐和导热油这类工况，这是其他品牌流量计无法做到的。
　　9、怎样选择一款合适的超声波流量计?
　　解答: 管道材质、管壁厚度及管径;流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管;流体温度，流量计类型，是便携的还是固定在线的。
　　超声波流量计采用时差式测量原理:一个探头发射信号穿过管壁、介质、另一侧管壁后，被另一个探头接收到，同时，第二个探头同样发射信号被第一个探头接收到，由于受到介质流速的影响，二者存在时间差&Dt，根据推算可以得出流速V和时间差&Dt之间的换算关系V=(C2/2L)&&Dt，进而可以得到流量值Q
　　本公司主营 不锈钢采水器，罐底焊缝真空检测盒，读数仪，八级空气微生物采样器，继电器综合测试仪，双波长扫描仪，涂层测厚仪，土壤粉碎机，钢化玻璃表面平整度测试仪，声音，便携式电测水位计，网口流量计，腐蚀率仪，便携式划痕仪，凝固点测试仪，水质检测仪，在线氨气测试仪，涂层测厚仪，涂层测厚仪，土壤粉碎机，数显式温度计，气体采样泵，陶瓷抗冲击试验机，全自动结晶点测试仪，药物凝固点测试仪，干簧管测试仪，恒温水浴箱，汽油根转，气体采样泵，钢化玻璃测试仪，水质检测仪，PM2.5测试仪，可吸入颗粒物检测仪，高频热合机，应变控制三轴仪，牛奶体细胞检测仪，氦气浓度检测仪，土壤水分电导率测试仪，场强仪，采集箱，透色比测定仪，毛细吸水时间测定仪，氧化还原电位计 测振仪，一氧化碳二氧化碳检测仪，CO2分析仪，示波极谱仪，黏泥含量测试仪，汽车启动电源，自动电位滴定仪，便携式测温仪，氧化锆分析仪，干簧管测试仪，精密电导率仪，TOC水质分析仪，微电脑可塑性测定仪，风向站，全自动点样仪，土壤氧化还原电位计，数字测温仪，便携式总磷测试仪，腐蚀率仪，恒温水浴箱，余氯检测仪，自由膨胀率仪，离心杯，混凝土饱和蒸汽压装置，颗粒强度测试仪，高斯计，自动涂膜机，安全阀研磨工具，气象站，动觉方位仪，暗适应仪，气味采集器，雨量计，四合一气体，乳化液浓度计，溶解氧仪，温度测量仪，薄层铺板器，温度记录仪，老化仪，噪音检测仪，恒温恒湿箱，分体电阻率测试仪，初粘性和持粘性测试仪，红外二氧化碳分析仪，氢灯，动觉方位仪，恒温动物手术台，冷却风机，油脂酸价检测仪，粘数测定仪，菌落计数器，气象站，雨量计，凯氏，荧光增白剂，平磨仪，燃料电池特性综合试验仪，溶解仪，在线PH计，现场动平衡仪，高真空阀门，超声波液位变送器，阿贝折射仪，水质快速检测器，污泥比组测定装置，扫描仪，氮吹仪，个人剂量报警仪，公司秉承&顾客至上，锐意进取&的经营理念，坚持&客户第一&的原则为广大客户提供优质的服务。欢迎惠顾!
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&&&&&&&&&&&&如何正确地选择并使用超声波流量计测量空调水流量
空调水的测量所选择的流量计种类并不多， 是其中一种使用较多的种类之一，如何能够正确地选择超声波流量计，选择超声波流量计时需要关注的要点有哪些？其工作原理是什么？安装与使用、维护时又需要关注哪些内容？都是值得我们重视的地方。本文介绍了空调 测量中应用的超声波流量计的工作原理、测量点选择原则、夹装式 安装要点及测量操作步骤，并总结多年空调水流量测试实践，提出了保证测量结果准确性的技术措施。
1.超声波流量计工作原理
封闭管道用USF按测量原理分类有：时间传播法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法。其中时间传播法又可分为时差法、 差法、频差法。目前应用于空调水系统中的USF的测量原理主要有时差法和多普勒效应法。润中仪表科技出品的RZ-1158系列流量计也是属于时差式超声波流量计，经广大用户的使用，稳定性和测量效果超好，是选择超声波流量计产品值得推荐的产品。
1.1 时差式USF测量原理
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超声波在液体中传播，由于流体流速不同会使超声波传播速度发生变化。如图1所示，取超声波在静止流体中声速为c，流体流速为v，上下游传感器的安装距离为L。当超声波传播方向与流体方向一致时，超声波传播速度为（c+v），当超声波传播方向与流体方向相反时，超声波传播速度为（c－v）；则顺流方向传播时间tl=L/（c+v），逆流方向传播时间t2=L/（c－v），则有：
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c、L为常数，测得时间差△t即可求出流体流速v，进而求得流体流量。
1.2 多普勒USF测量原理
多普勒USF是以利用多普勒效应原理来测量流体流量。如图2所示，传感器1发 率为f1的超声波信号，经过管道内液体中悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f2的频率反射到传感器2，这就是多普勒效应，f2与f1之差即为多普勒频差fd。
取流体流速为v，超声波声速为c，多普勒频移fd正比于流体流速v，即：
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当管道条件、传感器安装位置、发射频率、声速确定以后，c、f1、θ即为常数，流体流速和多普勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。
1.3 两者使用主要区别
1.3.1 被测流体水质要求不同。时差式USF适用于比较洁净的流体测量，多普勒USF主要用于测量含有适量能给出强反射信号的颗粒或气泡的液体。时差式USF可以测量悬浮颗粒较少的液体，多普勒USF要比时差式USF适用悬浮颗料含量上限高得多，而且可以测量连续混入气泡的液体。
1.3.2 测量精度不同。时差式USF测量精度比多普勒USF高，时差式USF测量精度可以达到±（0.5～1）%，重复性误差0.1%～0.3%；多普勒USF测量精度一般为±（1～2）%，重复性误差0.5%～1%。
2 测量点选择原则
为保证空调水流量测量精度，选择测量点时要求选择流体流场均匀的部分，一般应遵循下列原则：
2.1 被测管道内流体必须是满管。
2.2 选择被测管道的材质应均匀质密，易于超声波传播，如垂直管段（流体由下向上）或水平管段（整个管路中最低处为好）。
2.3 安装距离应选择上游大于10倍直管径，下游大于5倍直管径（注：不同仪器要求的距离会有所不同，具体距离以使用的仪器说明书为准）以内无任何阀门、弯头、变径等均匀的直管段，测量点应充分远离阀门、泵、高压电、变频器等干扰源。
2.4 充分考虑管内结垢状况，尽量选择无结垢的管段进行测量。
3 夹装式流量传感器安装要点
3.1 流量传感器安装方式的确定
3.1.1 时差式USF传感器安装方式有三种，分别是V法、Z法和W法，如图3所示。
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测量时采用何种安装方式，仪器说明书均有规定，但在边界范围一般比较模糊。如TFX1020P时差式超声波流量计：V型安装法适用测量管径25～400㎜，Z型安装法适用测量管径100～2540㎜，W型安装法适用测量管径65㎜以下小管。V型与Z型、V型与W型在适用测量管径均有部分重叠，如遇此情况则按下列原则选择最佳安装方式：V型安装一般情况下是标准安装方式，使用方便，测量准确。当被测管道很粗或由于被测流体浊度高、管道内壁有衬里或结垢太厚，造成V型安装信号弱，仪表不能正常工作时，选用Z型安装。原因是使用Z型安装时，超声波在管道中直接传输，没有折射，信号衰耗小。W型安装适于小管，通过延长超声波传输距离的办法来提高小管测量精度，如图3（c），使用W型安装时，超声波束在管内折射三次，穿过流体四次。
3.1.2 多普勒USF流量传感器安装方式有两种，分别是对称安装和同侧安装，如图4所示。对称安装适用于中小管径（通常小于600㎜）管道和含悬浮颗粒或气泡较少的液体；同侧安装适用于各种管径的管道和含悬浮颗粒或气泡较多的液体。
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3.2 传感器安装要求
3.2.1.剥净测量点处附近保温层和保护层，使用角磨砂轮机、锉、砂纸等工具将管道打磨至光亮平滑无蚀坑。要求：漆锈层磨净，凸出物修平，避免局部凹陷，光泽均匀，手感光滑圆润。需要特别注意，打磨点要求与原管道有同样的弧度，切忌将安装点打磨成平面，用酒精或汽油等将此范围擦净，以利于传感器粘接。
3.2.2 在水平管段上，两个传感器必须安装在管道轴面的水平方向上，并且在轴线水平位置±45°的范围内安装，以防止管内上部流体不满、有气泡或下部有沉淀等现象影响正常测量，如图5所示。
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3.2.3 传感器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝，如图6所示。
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3.2.4 传感器工作面与管壁之间保持有足够的耦合剂，不能有空气和固体颗粒，以保证耦合良好。
4 测量操作步骤
4.1 了解现场情况，确定空调水流量测点位置。测量前应了解现场情况包括：管道材质、管壁厚度及管径；流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管；安装现场是否有干扰源（如变频、强磁场等）。根据现场了解的情况，结合上述“测量点选择原则”确定水流量测点最佳位置。
4.2 用绳子和尺测量测点处管道外径，用超声波测厚仪测量管道壁厚。
4.3 确定传感器安装方式。
4.4 求安装距离，确定传感器位置。将管道参数输入USF，选择传感器安装方式，得出安装距离。如V法安装：先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点；Z法安装：先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点，然后测出此点在管道另一侧的对称点。
4.5 测量点处管道表面处理。
4.6 传感器与仪表接线。
4.7 微调传感器位置。观察流量计仪表的信号强度、信号质量度、信号传输时间差与传输时间比等参数值，如发现不好，则细微调整探头位置，直到这些参数值达到仪器说明书规定的范围之内。如无法调整，则需要改换合适安装方式。传感器位置调整好以后，用所配卡具将传感器固定好。
4.8 再次确认USF的信号强度、信号质量度、信号传输时间差与传输时间比等参数值符合规定要求，即可从USF读取实际流量值。
5 保证测量结果准确性的技术措施
5.1 根据所测试流体的洁净程度来判断使用何种类型的USF：一般的空调冷冻和冷却水系统可采用多普勒USF测量；若所测试的空调水系统刚冲洗干净或有很好的水处理工艺，水系统洁净程度很高，则采用时差式USF测量为好。
5.2 正确选择测量点位置及传感器安装方式以保证USF正常稳定工作。尽量选择在远离阀门、三通等局部阻力构件的直管段测试，测点的距离应满足仪器使用说明书中注明的要求，减小误差。
5.3 由于USF通常都利用电磁仪表显示测试结果，强电磁场会对它的性能产生一定的影响。因此在使用过程中应该尽量使USF避开有变频设备、变压设备等场所，以免影响测试工作。
5.4 确保所测量的水管内是满管流动，USF实际测得的是流体的速度，流量是根据输入的管径计算出流动断面的面积，然后乘以流速得到的，只有满管流动才能保证测试数据是准确的。
5.5 重视测试前的准备工作，如保温层的剥离、管道表面的除锈、除漆等，这样才能确保测试数据的准确。安装传感器过程中，千万注意在传感器和管壁之间不能有空气泡及沙砾。
5.6 正确管道参数输入是保证测量结果准确的关键。USF仪器本身的精度是在正确的管道参数下得到的，但要求操作者能在测量时输入正确的管道参数，才能得到正确的流量值。管径误差、管壁测厚误差对USF测量准确度的影响很大，但可通过现场精确实测来控制。
5.7 对于长期停流的空调水管道，正式测量前应以大流量冲刷沉积管壁的锈垢等沉淀物。
5.8 超声波流量计作为精密仪器，长期使用会使测量产生一定误差，应定期送 校准，提供修正系数来减少测量值误差。
5.9 不同型号USF的流量传感器在发射频率等技术性能不同，测量时不能混用。
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今日搜狐热点正确使用超声波流量计测量空调水流量--《安装》2009年09期
正确使用超声波流量计测量空调水流量
【摘要】：本文介绍了空调水流量测量中应用的超声波流量计的工作原理、测量点选择原则、夹装式传感器安装要点及测量操作步骤,并总结多年空调水流量测试实践,提出了保证测量结果准确性的技术措施。
【作者单位】：
【分类号】：TU831.3
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