超声波流量计工作原理及常见问题概述一、工作原理1、概述超声流量计是一个测量仪表，它利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。在气体的测量现场主要的检测元件包括对或几对超声传感器。这些传感器都安装在管壁上，每一组传感器的表面都彼此具有规定的几何关系。由一个传感器发射的超声脉冲由同一组内另一个传感器接收，反过来也如此。Q.Sonic-3采用了一个单反(灵敏度)并拓宽流2-1所示射声道的方案，在对面的管壁处声脉冲有一次反射。此方案使声道的总长度增加，从而能改善分辨率量计的范围度，如图图2-1信号反射路径2、流速的测量超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时，声脉冲以相同的速度(声速，C)在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V(该流速不等于零)，则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样，顺流传输时间tD会短些，而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言；这样就有：LtD=(2.1)C+V?cos和LtU=(2.2)CV?cos式中，L代表两个传感器之间声道的直线长度，可按下式确定L:LD=(2.3)2sinA采用电子学手段来测量此传输时间。根据时间倒数的差，可按下式计算流速VAL11V=()-(2.4)2costDtU速仅是径向位一般说来，沿管道横截面的流速并不是一个固定不变的常量。在流过很长圆管的定常无涡流的流体中，流置的函数。通常称此函数为充分发展的速度分布(剖面)，可以用如下的半经验幂律公式来近似它：1V(r)=Vmax(1)n(2.5)R式中，r是在半径上的位置，R是管道的半径，n是雷诺数Re和管内壁粗糙度的函数。对于光滑管道，可按下式来计算n:Ren=2log10()0.8(2.6)n按(3.4)式计算的流速是沿声道的线积分：1VL=LV(r)dL(2.7)L换句话说，由仪表所测得的流速是在声道方向上流体速度分量沿声道的平均值。通常用户感兴趣的是流体沿管道横截面S的平均流速Vm1Vm=sV(r)ds(2.8)S如果V仅有一个垂直于S的速度分量，那么可根据下式来计算VmVm=Kc?VL(2.9a)式中Kc代表所谓修正因子，它由下式来定义1V(r)dsSKc=(2.10)1V(r)dLLV(r)是雷诺数Re的函数，因此修正因子也是一旦V(r)，L和S已知，修正因子就可以被计算出来。由于Re的函数。fadjust为特色。在进行流量校CheckSonic“系列II”(Series-ll)型流量计以具有一个调整因子”，准(标定)后，可利用它对流量计进行调整，或者是根据一个具有已知或可接受精度的参比量对输出进行调整时，也需利用它。从1998年元月1日后发运的所有流量计都已具备该特点。在计算平均流速Vm时,已同时采用了调整因子：Vm=fadjust?Kc?VL(2.9b)3、体积流量的计算在管道流动状况下的体积流量QLine按速度分布修正后的气体的平均流速Vm乘以测量管的内横截面的面积A：D2QLine=Vm?A=Vm(2.11)在标准状况下的体积流量QBase按下式计算:ZoPToQBase=QLine(2.12)ZPoT乙P,T是在管道流动（或计量）条件式中：Zo,Po,To是在标准（或参比）状况下气体的压缩因子，绝对压力和绝对温度;下气体的压缩因子，绝对压力和绝对温度4、超声波流量计的应用超声波流量计在应用中，需要注意以下几个方面的问题：4.1正确选择这是超声波流量计能够正常工作的基础。如果选型不当，或会造成流量无法测量，或者用户使用不做便等后果。具体选型原则，前面已做了详细的介绍。4.2合理安装换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时除保证足够的上、下游直管段外，尤其要注意换能器尽量避幵有变频调速嚣、电焊机等污染电源的场合。在安装方式上，主要有对贴安装方式和V方式、Z方式三种，如图3。多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式，时差式超声波流量计采用V方式和Z方式，通常情况下，管径小于300mm时，采用V方式安装，管径大于200mm时，采用Z方式安装。对于即可以用V方式安装又可以方式安装的换能器，尽量选用Z方式。实践表明，Z方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好。时貼曲式4.3及时核校对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户，可以配备一台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况。一是坚持一装一校，即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准；二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。二、超声波流量计使用中常见问题：1、超声波流量计探头使用一段时间，会岀现不定期的报警。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）02、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，气温较低时会岀现引压管冻堵现象，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附各种参数或变量的定义：A管道或流量计的横截面积；C声速；D管道或流量计的内（直）径；Fadjust调整系数（通常是根据流量标定结果来确定）；KC修正系数（与雷诺数Re有关）；KZ一个恒定不便的压缩因子;L在一对传感器（超声探头）之间声道的长度（声程）；P在管道流动条件下的绝对压力（绝压）；PO在基准（参比）条件下的绝对压力（绝压）；Qline在管道流动条件下的体积流量（实际体积流量）；QBase修正到基准（参比）条件下的体积流量；S管道的横截面；T在管道流动条件下的绝对温度；TO在基准（参比）条件下的绝对温度；TD声音从上游探头到下游探头的传输时间；TU声音从下游探头到上游探头的传输时间；V气体的流速；VL沿声道的平均流速；Vm气体的平均流速（在管截面上的平均流速）；V（r）沿管道半径在某点处的流速；Z0在基准（参比）条件下的压缩因子；Z在管道流动条件下的压缩因子；在管道轴线与声道之间的夹角。超声波流量计种类很多：TUF-2000S固定分体式超声波流量计/TUF-2000S固定分体式/TUF-2000F功能型固式/TUF-2000B基本型固式超声波流量计/TUF-2000H手持式超声波流量计/TUF-2000P便携式超声波流量计。超声波流量计的工作原理：超声波流量计采用时间差法来测水的流速，用流速乘上截面积就是流量了。根据水的流向，分为上游和下游，简单而言就是上游和下游各装一个传感器探头，可以发射超声波，上游发射一个超声波，下游的接收，产生个传输时间；同时下游那个传感器也发射个超声波信号，上游的那个接收，又产生一个时间，这两个时间长短是不同的，他们的时间差和水的流速是成一个函数关系的。这样水的流速，就被载在超声波上了，通过计算就可以得出流量了。国产智能时差式超声波流-t在使用过程中，会经常出现功能显示混乱、乱跳数字、程序丢失停止工作等故障。为了消除和避免故障的出现，我们在使用和维修过程中摸索出以下几方面的经验和做法：1.由于超声波流量计是用Z80单板机来控制其工作的，加上早期生产的z80单板机没有看门狗电路，在运行中容易受外界和电源的干扰。超声波流量计一般都装在供水车间的控制室内，靠近大功率电动机，在起动和关断电机时磁吸合与放开都会给电源造成干扰其干扰信号通过电源线串入到流量计的电源，形成脉冲干扰，这种干扰脉冲将破坏单板机的正常运行，致使流量超声波流量计常见问题问答：问：符合安装条件，管道很新，材质也好，怎么接收不到信号？答：确认管道参数是否正确设置，安装方法是否正确，连接线是否接触良好，藕合剂是否涂抹充分，管道中是否充满流体，是否按照机器显示的安装距离安装探头，探头安装方向是否错误。问：管道陈旧，管道内壁结垢严重，测量时接受不到信号或信号太弱，怎么办？答：1.确认管道中是否充满流体。2. 应选用Z法安装探头（如果管道太靠近墙壁，可在有倾斜角度的管道直径上安装探头，而不必非在水平管道直径上安装）；仔细选择管道致密部分并充分打磨光亮，涂抹充分的藕合剂安装好探头；分别细心地在安装点附近慢慢移动每个探头，寻找到最大信号点，防止因为管道内壁结垢或因为管道局部变形导致超声波束反射出预计的区域而错过可接收到较强信号的安装点；对内壁结垢严重的金属管道可使用击打的办法使结垢部分脱落或裂缝（注意：此方法有时反而因为结垢和内壁之间产生空隙而丝毫无助于超声波的传输）。问：电流环输出电流值怎么好象不对头？答：1.检查M55窗口,是否设置了所要求的电流输出方式；2.检查M56，M57窗口所设置的电流上下限值是否合适；3.重新校正电流环，并使用M58验证。问：明明管道中有流量，机器也显示“*R”状态，而此时机器显示的瞬时流量却为零，怎么回事？答：是否在有流体流动的情况下使用了静态零点设置”（参考M42说明）。如是，使用M43，恢复机器原出厂设置零点。24小时连问：我单位测量现场恶劣，电源电压波动特别大，我担心机器能否真的一天续工作好几年？答：FV型流量计在设计时就要求能在这样的条件下可靠地工作。其内部使用了智能信号处理电路和算法，能适应强的干扰场合，并可自适应超声波信号的强弱变化；它对交流电源电压的要求为140V280V。对直流电源电压的要求为24V。至今FV系列流量计尚无因仪器故障原因放置不用等情况。问：新版流量计的信号强度好像小”些，影响测量吗？答：同以前版本的流量计相比，是小”些！这只是表面的现象，因为此值是个相对值。绝不影响测量。实际您会发现新版Q值高，示值很稳定，测量更准确。