超声波流量计.ppt

1、周期：周期：T=1/f；取决于声源；取决于声源；波长：波长：=C*T;C声速，取决于介质性质；声速，取决于介质性质；举例：举例：F=50KHz,T=0.02mS,=6.8mm(C=340m/s);F=1MHz,T=1S,=1.5mm(C=1500m/s,常温常温水水);声速：声速：超声波在物质中的传播速度超声波在物质中的传播速度钢：钢：C=5.95*103m/s;水：水：C=1557-0.0245(74-t2)，t为为；T=0时，时，C=1423m/s;T=30时，时，C=1509m/s;空气：空气：C=331.4(1+t/273)0.5,除此之外，还受湿除此之外，还受湿度、成分的影响。度、成

2、分的影响。T=0时，时，C=331.4m/s;T=30，C=349.1m/s;声波在界面上的折射：声波在界面上的折射：类似于光的折射类似于光的折射1=2=介质的阻抗特性介质的阻抗特性:Z=C；密度；密度；C速度；速度；21211sinsinsinCCC12在垂直于界面入射时，声强反射系数：在垂直于界面入射时，声强反射系数：在垂直于界面入射时，声强透射系数：在垂直于界面入射时，声强透射系数：钢：钢：Z=7800*5.95*103=4.64*107；水水：（：（t=0），），Z=1000*1423=1.423*106;空气：（空气：（t=0），），Z=1.293*331.4=4.285*102;钢

3、水界面：钢水界面：=0.885，=0.115；气水界面：气水界面：=0.9988，=0.0012；21212ZZZZ122212121212)(411ZZZZZZZZ超声波在传播过程中的衰减：超声波在传播过程中的衰减：由于介质的粘性而造成的衰减由于介质的粘性而造成的衰减 热传导造成的吸收衰减热传导造成的吸收衰减:由于介质的散射而造成的衰减由于介质的散射而造成的衰减声强：声强：固固液液气气 超声波在传播过程中的衰减：超声波在传播过程中的衰减：由于介质的粘性而造成的衰减由于介质的粘性而造成的衰减 热传导造成的吸收衰减热传导造成的吸收衰减:由于介质的散射而造成的衰减由于介质的散射而造成的衰减声强：声

4、强：固固液液气气 4fs2faxePP02fa超声波的指向性：超声波的指向性：Sin=1.22/D=1.22C*T/D=1.22C/fD，:主瓣半角主瓣半角(半扩散角半扩散角)；D:晶片直径晶片直径;f:超声波超声波频率频率超声波用途：超声波用途：超声清洗、医学治疗、超声探伤、超声清洗、医学治疗、超声探伤、超声测距超声测距LxVctLm12LxVctLm21上面两式相减并变换可得上面两式相减并变换可得 21122112ttxLVm式中：式中：L L超声波在换能器之间传播路径的长度（超声波在换能器之间传播路径的长度（mm）；）；x x传播路径的轴向分量（传播路径的轴向分量（mm）；）；t t12

5、12从换能器从换能器1 1到换能器到换能器2 2的传播时间（的传播时间（s s）；）；t t2121从换能器从换能器2 2到换能器到换能器1 1的传播时间（的传播时间（s s）；）；c c超声波在静止流体中的传播速度（超声波在静止流体中的传播速度（m/sm/s）；）；V Vmm流体通过换能器流体通过换能器1 1、2 2之间声道上平均流速（之间声道上平均流速（m/sm/s）（2 2）流量方程式流量方程式42NmvDKVq体积流量体积流量q qv v为：为：式中，式中，K K 流速分布修正系数，流速分布修正系数，K K=V Vmm/V V D DN N 管道内径。管道内径。K K是单声道通过管道中

6、心的流速（分布）修正系数。是单声道通过管道中心的流速（分布）修正系数。管道雷诺数管道雷诺数ReReD D变化变化K K值将变化，值将变化，仪表范围度为仪表范围度为1010时，时，K K值变化约为值变化约为1 1；范围度为范围度为100100时，时，K K值约变化值约变化2 2。流动从层流转变为紊流时，流动从层流转变为紊流时，K K值要变化约值要变化约3030。所以要精确测量时，必须对所以要精确测量时，必须对K K值进行动态补偿。值进行动态补偿。超声波流量计的组成超声波流量计的组成组成：超声换能器（）转换器转换器在结构上分：固定盘装式和便携式n安装维修方便，直接安装于管道上，不需设置专门的流量井

7、和太大的安装空间n通用性好，与口径无关n测量范围广，不受流体物理性质、化学性质的影响，可以对任何流体进行测量；n测量方式多，非接触式，可对不易接触和观察的流体进行测量；n测量简便，指示读数与所测流体流量成线性函数，便于流量的直接读数、记录和累计；超声波的选用考虑要点超声波的选用考虑要点1.1.测量原理的选择测量原理的选择 选择测量原理是传播时间法还是多普勒法n主要判断要素：n液体洁净程度或杂质含量，测量精度要求。n基本适用条件如下表所示。n对于外夹装式仪表还要考虑管壁材料和厚度、锈蚀状况、衬里材料和厚度；n对于现场安装换能器式仪表要考虑换能器类型；n对于大管径传播时间法仪表要考虑声道数。测量原

8、理基本适用条件测量原理基本适用条件条件条件传播时间法传播时间法多普勒法多普勒法适用液体适用液体水类（江河水，海水农业用水等）水类（江河水，海水农业用水等）,油类油类（纯净燃油，润滑油，食用油等），化学（纯净燃油，润滑油，食用油等），化学试剂，药液等试剂，药液等含杂质多的水（下水，污水，含杂质多的水（下水，污水，农业用水等），浆类（泥浆，农业用水等），浆类（泥浆，矿浆，纸浆化工料浆等），油矿浆，纸浆化工料浆等），油类（非净燃油，重油，原油等）类（非净燃油，重油，原油等）适用悬浮颗粒适用悬浮颗粒含量含量体积含量体积含量1%5050100mg/L100mg/L仪表基本误差仪表基本误差带测量管段式带测

9、量管段式（0.5-10.5-1）%R%R（3-103-10）%FS%FS固体粒子含量基本不变时固体粒子含量基本不变时（0.5-30.5-3）%湿式大口径多声道湿式大口径多声道湿式小口径单声道湿式小口径单声道1.5%R-1.5%R-3%R3%R夹装式（范围度夹装式（范围度20:120:1）重复性误差重复性误差0.1%-0.3%0.1%-0.3%1%1%信号传输电缆信号传输电缆长度长度100-300m,100-300m,在能保证信号质量的前提下，在能保证信号质量的前提下，可以小于可以小于100m100m30m30m价格价格较高较高一般较低一般较低2.2.适用悬浮颗粒含量的范围适用悬浮颗粒含量的范围

10、4.4.声道设置和直管段要求声道设置和直管段要求 多普勒法USF通常只有单套发送和接收换能器；便携式外夹装换能器传播时间法USF通常也只有单声道，其他夹装式则也有用双声道者，带测量管段式有单声道和双声道以上。（1）传播时间法 传播时间法采用多少声道的主要依据是测量精确度要求和安装仪表管段流动状况（取决于上游阻流件组成和直管段条件），以及管径大小。为了获得流体沿管道中心平行对称地流动，测量点上下游要有足够的长度直管段作有效整流。不能满足时应设置流动调整器。传播时间法USF直管段长度要求尚未有国际标准或国家标准规定值，应按制造厂提供的规定。5.5.换能器类型的选择换能器类型的选择（1）传播时间法

11、本类仪表可采用换能器的类型较多，各厂家换能器结构不同，适用的流体条件（温度、压力等）、管道条件（材质、形状、管径、直管长度等）和安装条件等也不相同。此外还与声道的设置方法有关，而声道的设置方法又与测量精度和重复性等密切相关。气体用USF因固体和气体界面间超声波传播效率非常低，只能用直射式换能器。因此气体流量测量一般不采用外夹装式USF。（2）多普勒法本类仪表用的折射式换能器。目前国内产品大部分采用夹装式，但与传播时间法所用的夹装式换能的发射频率等技术性能不同，不能混用。然而两者适用管道条件是基本相同的。1）安装位置和流动方向 USF的流量传感部分（超声流量传感器或超声换能器）一般均可安装于水平

12、、倾斜或垂直管道。垂直管道最好选择自下而上流动的场所，若为自上而下，则其下游应有足够的背压，例如有高于测量点的后续管道，以防止测量点出现非满管流。2）单向流还是双向流 通常为单向流，但也可通过较复杂电子线路，设计成双向流动，此时流量测量点两侧直管段长度均应按上游直管段的要求布置。3）管道条件 外夹装式USF管道内表面积沉积层会产生声波不良传输和偏离预期声道路径和长度，应予避免；外表面因易于处理较少影响。夹装式换能器和管道接触表面要涂上耦合剂。应注意粒状结构材料（例如铸铁、混凝土）的管道，很可能声波被分散，大部分声波传送不到流体而降低性能。换能器安装处管道衬里或锈蚀层与管壁之间不能有缝隙。用V法

13、的反射处必须避开焊缝和接口。4）上游流动扰动 与大部分其他流量仪表一样，USF敏感于流过仪表的流速分布剖面，因此也要求相当长度的上游直管段。前文已对直管段要求作了讨论。5）防止声干扰 应注意由控制阀高压力降等所形成的声学干扰，特别在测量气体流量时尤为重要，设法避免之。7.7.经济因素方面的考虑经济因素方面的考虑小口径USF与其他流量仪表相比价格较贵，然而非管段式USF价格并不明显增加。所以用于大口径、超大口径仪表有明显价格优势。多声道仪表有较复杂电子计算部件，价格要高些，因此在要求高精度的中小管径上应用受到一些限制。然而上有扰动大而直管段布置受限制的场所，多声道系统可能是仅有的合理解决方案。超

14、声波流量计安装步骤安装超流可按照以下步骤操作：一.观察安装现场管道是否满足直管段前10D后5D以及离泵30D的距离。（D为管道内直径）二.确认管道内流体介质以及是否满管。三.确认管道材质以及壁厚（充分考虑到管道内壁结垢厚度）四.确认管道使用年限，在使用10左右的管道，即使是碳钢材质，最好也采用插入式安装。五.前四步骤完成后可确认使用何种传感器安装六.开始向表体输入参数以确定安装距离。七.非常重要：精确测量出安装距离。（1）外夹式可选安装传感器大概距离，然后不断调试活动传感器以达到信号和传输比最好的匹配 （2）插入使用专用工具测量管道上安装点距离，这个距离很重要，它直接影响表的实际测量精度，所以

15、最好进行多次测量以求较高精度。八.安装传感器调试信号做防水归整好信号电缆清理现场线头等废弃物 安装结束验收签字安装注意事项安装注意事项水平管换能器安装位置水平管换能器安装位置单声道换能器垂直管道安装位置单声道换能器垂直管道安装位置避开接口和焊缝示意图避开接口和焊缝示意图 安装方式安装方式在实际生产使用过程中，现场超声波流量计有时会出现有信号但Q值很低，无法测量流量的情况。出现这种情况的原因及解决方法如下。问题分析：通常情况下，超声波流量计正常工作时窗口M90中信号强度越大，Q值越高，测量值越稳定可靠。信号质量（Q值）至少要求在50.0以上流量计方可正常工作，若低于50，此时流量计测量状态显示“

16、H”，将不会正常测量，显示的流量值肯定不对。四、故障现象:当控制阀门部分关闭或降低流量时读数反会增加原因分析：传感器装的过于靠近控制阀下游，当部分关闭阀门时流量计测量的实际是控制阀门缩径流速提高的流速，因口径缩小而流速增加。解决方法：将传感器远离控制阀门，传感器上游距控制阀30D或将传感器移至控制阀上游距控制阀5D。五、故障现象：超声波流量计工作正常，突然超声波流量计不能测量流量了。原因分析：1、被测介质发生变化。解决方法：改变测量方式。2、被测介质由于温度过高产生气化。解决方法：降温3、被测介质温度超过传感器的极限温度。解决方法：降温超声波流量计使用中常见问题超声波流量计使用中常见问题10、

17、忽视了对流量计使用条件和使用环境的要求、忽视了对流量计使用条件和使用环境的要求 2)探头的正确安装(1)探头的安装位置应满足直管段的要求，前10D，后5D。(2)确定探头正确的安装方式。超声波流量计应用最多的二种探头安装方式，即z法和V法。z法一般用于大口径的管道测量，这种方法的优点是信号损失小，缺点是声程短不适用于小口径管道测量；V法一般适用于小口径管道测量，优点是声程较长，可得较佳时间分辨能力。在水平管道上传感器最好装在管道截面积“9点或3点钟”的位置，这样可避免其他安装方式位置时气泡集于顶部、颗粒沉于底部流动给测量带来的影响。(3)探头安装处管线表面应光滑，并涂有适量的超声波专用耦合剂，

18、保证探头和管壁之间没有缝隙。耦合剂太少或太稀都会造成测量的数据不准确。(4)探头应捆绑牢固使其与管道外壁紧紧接触并保证其不会移动，否则会造成声波的衰减导致数据的不准确。应用实例应用实例n工业生产中进行流量测量时，在正确掌握超声流量计测量原理及使用方法的基础上，只要根据现场条件，正确选择安装地点和安装方式，精心调整，就能准确、快速地得到测量结果。如某电厂在对一循环水母管水量进行测量时，原测点选在循环泵房内的循环水母管上，依据管道规格(1800mm8mm钢管)，仪器推荐探头使用Z安装方式。仪器安装后，不能通过自检，反复调整探头安装方式和探头间隔，仍不成功。考虑到循环泵房内，探头安装位置距大功率电机

19、较近，电磁强度较大，可能对测量产生影响，将测量点移到室外的较长平直管段上。由于直管段长，水流比较稳定，探头选用了V安装方式，探头间隔为A11，仪器自检一次通过，信号强度达到50.16，流量测量顺利。超声波流量计常规测量时需要输入下列参数超声波流量计常规测量时需要输入下列参数使用中的维护和检修使用中的维护和检修超声波流量计的一些超声波流量计的一些 技术问题汇总技术问题汇总6.8.5 超声流量计的特点与安装使用超声流量计的特点与安装使用特点：特点：唯一能实现非接触式测量的流量计（夹装式）；唯一能实现非接触式测量的流量计（夹装式）；可制成可制成便携式仪表便携式仪表；无阻流件，无压力损失；无阻流件，无

20、压力损失；准确度准确度0.1%5%？；管道内外壁干净，需足够长的直管段；管道内外壁干净，需足够长的直管段；传播速度差法流量计需介质洁净，而多普勒流量传播速度差法流量计需介质洁净，而多普勒流量计需有散射粒子，适于计需有散射粒子，适于污水和含气泡污水和含气泡的液体；的液体；特别适合特别适合大管径大管径测量，其成本与管径基本无关。测量，其成本与管径基本无关。6.8.6 超声流量计维护及故障诊断超声流量计维护及故障诊断（1）维护）维护 外贴式超声波流量计外贴式超声波流量计定期检查换能器是否松动，定期检查换能器是否松动，与管道之间的粘合剂是否良好；与管道之间的粘合剂是否良好；插入式超声波流量计插入式超声

21、波流量计定期清理探头上沉积的杂定期清理探头上沉积的杂质、水垢及检查有无漏水现象；质、水垢及检查有无漏水现象；一体式超声波流量计一体式超声波流量计检查流量计与管道之间的检查流量计与管道之间的法兰连接是否良好，并考虑现场温度和湿度对其电法兰连接是否良好，并考虑现场温度和湿度对其电子部件的影响。子部件的影响。（2）故障诊断）故障诊断现象：现象：示值不准；示值不准；无示值；无示值；流量为负；流量为负；流量流量波动大；波动大；原因：原因：1.测量点位置选择测量点位置选择如测量点非满管流，内部锈蚀，直如测量点非满管流，内部锈蚀，直管段长度不够或上游存在扰动源可导致管段长度不够或上游存在扰动源可导致 ；2.换能器安装换能器安装如换能器与管道间有锈斑、耦合剂涂不如换能器与管道间有锈斑、耦合剂涂不均匀或换能器安装偏离管线正侧面可导致均匀或换能器安装偏离管线正侧面可导致 ；3.电缆连接电缆连接上下游换能器电缆若接反可导致上下游换能器电缆若接反可导致；4.数据设置数据设置管道参数如管径、安装角度需精确测量后管道参数如管径、安装角度需精确测量后置入仪表，否则导致置入仪表，否则导致。