超聲波流量計(jì)的工作原理

超聲波流量計(jì)是近十幾年來(lái)隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開(kāi)始應(yīng)用的一種流量測(cè)量?jī)x器，適于 測(cè)量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。根 據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，超聲波流量計(jì)大致可分為傳 播速度差法（包括：直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法、 頻差法）、波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波 法及噪聲法等。其中，頻差法和時(shí)差法克服了聲速 隨流體溫度變化帶來(lái)的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被 廣泛采用。

時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理。有兩個(gè)換能器一順流換能器和逆流換 能器,兩個(gè)換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)，并 相距一定距離。超聲波行走的路徑長(zhǎng)度為i,超聲 波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向夾角為0。由于流 體流動(dòng)的原因，超聲波順流傳播i長(zhǎng)度的距離所用 的時(shí)間比逆流傳播所用的時(shí)間短，其時(shí)間差與流體 流速存在線性關(guān)系。這樣,通過(guò)觀測(cè)超聲波在介質(zhì) 中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體的流 速,再通過(guò)流速來(lái)計(jì)算流量。

3.超聲波流量計(jì)的影響因素分析

常見(jiàn)的影響超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)精度的因 素可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）流量計(jì)本身的計(jì)量精度；

（2）管道因素的影響（直管段長(zhǎng)度、管徑、輸入 壁厚、內(nèi)襯及管道材質(zhì)等）；

（3）噪聲的影響（被測(cè)介質(zhì)是否滿管及附近是 否有干擾源）。

3.1流量計(jì)本身的計(jì)量精度

現(xiàn)場(chǎng)采用便攜式流量計(jì) Portaflow作為液體流量主要檢測(cè)儀器，其原理是采 用時(shí)差法測(cè)量。儀器借助夾鉗式傳感器，能夠* 測(cè)量密閉管道內(nèi)的液體流量。該儀器配有A、B兩 種傳感器，即換能器，分別用于小管徑及大管徑管 道的測(cè)試，能夠測(cè)量幾乎所有管道材質(zhì)及管徑范圍 從13mm ~ 5000mm的管道流量。廣州市能源檢測(cè)研究院校準(zhǔn)證書(shū)校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

可見(jiàn),常見(jiàn)流速范圍內(nèi)，所用便攜式流量計(jì)Por- taflow示值誤差均在±2%以內(nèi)，其中A傳感器為正 偏差，且在流速為0. 89m/S、流量為25.0m3 /h時(shí)，其 誤差*小;B傳感器為負(fù)偏差，且在流速為3.5m/s、 流量為100. 0m3/h時(shí)，其誤差*小。示值誤差隨著 被測(cè)管道流量的變化曲線。

可見(jiàn),在管道流量40m3/h以內(nèi)，A、B兩種傳感 器示值誤差變化較為平穩(wěn)。當(dāng)管道流量大于 40m3/h時(shí)，隨著被測(cè)管道流量的增加，A傳感器示 值誤差逐漸加大，而B(niǎo)傳感器逐漸減少。現(xiàn)場(chǎng)空調(diào) 水流量檢測(cè)時(shí)，為減少測(cè)試誤差，大流量管道應(yīng)選 擇B傳感器,小流量管道采用A傳感器，且應(yīng)根據(jù) 計(jì)量結(jié)果對(duì)流量測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

3.2管道因素的影響

由于現(xiàn)場(chǎng)空調(diào)管道情況的影響，便攜式超聲波 流量計(jì)的使用精度往往低于其標(biāo)稱精度，當(dāng)誤差較 大時(shí),甚至不能滿足使用要求。為了評(píng)價(jià)管道因素 對(duì)便攜超聲波流量計(jì)的影響，用便攜式流量計(jì)進(jìn)行 了管道影響因素的試驗(yàn)分析。

(1)直管段（流態(tài)）。一般要求流量計(jì)上游、下 游分別有管徑10倍和5倍以上的直管段（稱之為標(biāo) 準(zhǔn)直管段長(zhǎng)度工況）,以確保被測(cè)介質(zhì)的流態(tài)滿足儀表精度要求。實(shí)際檢測(cè)時(shí),往往找不到滿足標(biāo)準(zhǔn) 直管道長(zhǎng)度工況要求的安裝位置，在標(biāo)準(zhǔn)直管段長(zhǎng) 度和非標(biāo)準(zhǔn)情況下試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

結(jié)果表明，上游直管段對(duì)精度影響較大，下游 直管段對(duì)精度影響較小。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，上游側(cè)有 3倍以上、下游有1倍以上管徑直管時(shí)，可基本滿足 使用要求（與標(biāo)準(zhǔn)直管道長(zhǎng)度工況相對(duì)誤差在1% 以內(nèi)）。

(2)管道參數(shù)輸入誤差的影響。流量計(jì)安裝 時(shí),需輸入管徑、管壁厚等參數(shù)。在管道固定不變 的情況下改變輸入?yún)?shù)。

從表看出，管徑設(shè)置（輸入）誤差與流量 測(cè)量結(jié)果誤差之間的關(guān)系為正相關(guān)，即管徑輸入誤 差為正偏差，實(shí)際測(cè)量結(jié)果誤差為正偏差。管徑外 徑誤差導(dǎo)致管道截面積誤差，進(jìn)而影響流量計(jì)算， 測(cè)量結(jié)果誤差隨著管徑設(shè)置（輸入）誤差的變大而變大。管徑誤差為-10%時(shí)，超聲波流量計(jì)顯示無(wú) 信號(hào)。管徑誤差為+ 10%時(shí),DN100管徑流量測(cè)量 相對(duì)誤差達(dá)到12. 1%。因此，節(jié)能檢測(cè)時(shí)，管徑誤 差對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量結(jié)果影響較大，管徑誤差應(yīng) 準(zhǔn)確輸入。

從表看出，管壁厚度設(shè)置（輸入）誤差與 測(cè)量結(jié)果誤差成負(fù)相關(guān)，即管壁厚度輸入為正偏 差,測(cè)量結(jié)果誤差為負(fù)偏差。壁厚誤差同樣導(dǎo)致內(nèi) 徑誤差，造成流量測(cè)量誤差。管道尺寸108mmX 4mm,壁厚輸入在±2mm誤差范圍內(nèi)，此時(shí)流量實(shí) 測(cè)值*大相對(duì)誤差為+1.5% ;管道尺寸159mm X 4. 5mm,壁厚輸入誤差在± 1. 5mm誤差范圍內(nèi)，此 時(shí)流量實(shí)測(cè)值*大相對(duì)誤差為+2.8% ;管道尺寸為 219mm X 6mm,壁厚輸入誤差在± 3mm誤差范圍 內(nèi)，此時(shí)流量實(shí)測(cè)值*大相對(duì)誤差為+3.9%。節(jié)能檢測(cè)中，壁厚輸入誤差對(duì)管道實(shí)測(cè)流量的影響一般 在5%范圍內(nèi)。對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)量，需要*測(cè)量管壁 壁厚，以免影響管道流量測(cè)量結(jié)果。

從表看出，流體溫度誤差對(duì)流量測(cè)量結(jié) 果的影響較小,現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能檢測(cè)時(shí)可以忽略不計(jì)。流 體溫度主要通過(guò)影響流體密度,進(jìn)而影響流量計(jì)算 結(jié)果。查詢相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，流體溫度對(duì)流體密 度的影響相對(duì)較為微小。

(3)內(nèi)襯及管道材質(zhì)的影響。被測(cè)管道材質(zhì)及 內(nèi)襯輸入錯(cuò)誤時(shí),造成傳感器安裝距離i的計(jì)算錯(cuò) 誤,使超聲波流量計(jì)的入射角0產(chǎn)生誤差,影響測(cè)量 結(jié)果,嚴(yán)重時(shí)影響測(cè)量信號(hào)，使超聲波流量計(jì)無(wú)法 正常工作。試驗(yàn)表明，管道內(nèi)襯對(duì)測(cè)量的影響主要 源于其造成了實(shí)際管徑的變化。內(nèi)襯減少了過(guò)水 截面積,通過(guò)流速換算的流量相應(yīng)偏小。測(cè)量誤差 與管道截面積的變化成正比，如果內(nèi)襯過(guò)厚、設(shè)置 時(shí)被忽略或內(nèi)襯與管壁有間隙時(shí)，一般會(huì)發(fā)生探測(cè) 或信號(hào)錯(cuò)誤。因此,測(cè)量時(shí)應(yīng)據(jù)實(shí)準(zhǔn)確輸入內(nèi)襯的 材料及厚度。如果遇到管道內(nèi)壁結(jié)垢相對(duì)均勻、信 號(hào)基本正常時(shí)，也可將管道內(nèi)壁結(jié)垢視為內(nèi)襯，進(jìn) 行一定的補(bǔ)償，可以減少測(cè)量誤差。目前，節(jié)能檢 測(cè)的對(duì)象一般是新建建筑,幾乎不存在管道內(nèi)壁積 垢的問(wèn)題。管道及內(nèi)襯材質(zhì)對(duì)測(cè)量的影響反映在 超聲波在各種介質(zhì)中傳播速度的差異上，如果材質(zhì) 的實(shí)際聲速小于設(shè)置的聲速（如錯(cuò)把塑料管當(dāng)鍍鋅 鋼管）,則測(cè)量結(jié)果偏大,反之則偏小。

3.3噪聲的影響

如果流體中存在超聲噪聲，且噪聲的頻率與超 聲波流量計(jì)的工作頻率范圍一致，那么將使得換能 器無(wú)法檢測(cè)并分辨出正常的工作超聲脈沖信號(hào),導(dǎo) 致流量計(jì)發(fā)生讀數(shù)錯(cuò)誤或停止計(jì)量?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí), 產(chǎn)生超聲噪聲的噪聲源有很多，*常見(jiàn)的是管道非 滿管及流體介質(zhì)污濁。一般來(lái)說(shuō),現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)噪聲的 產(chǎn)生源主要有：(1)流過(guò)管道的高速氣流（非滿管 流）;(2)附件的干擾源（壓力或流量調(diào)節(jié)閥、水泵風(fēng) 機(jī)運(yùn)行等）。

超聲波流量計(jì)對(duì)降壓元件產(chǎn)生的噪聲尤其敏 感,甚至有些低噪聲閥門比調(diào)壓閥對(duì)超聲波流量計(jì) 產(chǎn)生的影響還要大，這是因?yàn)?，采用了低噪聲技術(shù) 的閥門主要是針對(duì)人耳可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲范圍進(jìn)行降 噪,而這個(gè)范圍與影響超聲波信噪比的聲譜范圍不 完全一致。國(guó)外氣體流量實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的不******型的“噪聲發(fā)生器”（如整流器、調(diào)壓閥等）對(duì)超聲波流 量計(jì)性能影響的定量測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，噪聲 (如整流器產(chǎn)生的噪聲）對(duì)某些類型的超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性存在一定的影響，其帶來(lái)的計(jì)量 誤差可達(dá)2%。一般來(lái)說(shuō),為降低噪聲干擾，宜把流 量計(jì)安裝在調(diào)節(jié)閥等噪聲元件的上游。

4.小結(jié)

超聲波流量計(jì)是節(jié)能檢測(cè)的設(shè)備，節(jié)能檢 測(cè)中要求的或涉及到的流量參數(shù)（冷水機(jī)組實(shí)際性 能系數(shù)、空調(diào)水泵效率、冷熱水總流量、冷卻水總流 量、空調(diào)機(jī)組水流量等）都需要超聲波流量計(jì)測(cè)量， 其優(yōu)點(diǎn)是不用在流體中安裝測(cè)量元件，不會(huì)改變流 體的流動(dòng)狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，因而在節(jié)能檢測(cè) 中應(yīng)用非常廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中，需要注意以下 問(wèn)題：

（1）定期對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，定期 送檢計(jì)量,并根據(jù)計(jì)量結(jié)果對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

（2）測(cè)量數(shù)據(jù)不僅僅是個(gè)儀表顯示數(shù)值，它需 要在測(cè)量過(guò)程中綜合考慮管道因素（直流管段長(zhǎng) 度、管徑、壁厚、流體溫度等）的影響,盡可能降低測(cè) 量誤差。

（3）被測(cè)管道材質(zhì)及內(nèi)襯輸入錯(cuò)誤時(shí)，將產(chǎn)生 較大的測(cè)量誤差，因此測(cè)量時(shí)應(yīng)據(jù)實(shí)準(zhǔn)確輸入管道 材質(zhì)及內(nèi)襯材料。

（4）噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性存在 一定的影響，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，一般把超聲波流量計(jì)安 裝在噪聲元件的上游，盡量降低噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的 影響。