应用技术 Ａｐｐｌｉｄｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 企业科技与发展 Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ２０１０年第２期Ｃ总第２７２期） ＮＯ．２，２０１０（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ ＮＯ．２７２） 时差式超声波流量计的应用技术 邬金鹏 （广东省江门市自来水有限公司，广东江门５２９０００） 【摘耍】时差式超声 作原理、特点和应用 差式超声波流量计的工 【关键词】时差式超声 【中圈分类号】ＴＨ７ Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｔｉｍｅ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ 、‘ Ｊｉｎ—ｐｅｎｇ （Ｃｕａｎｇｄｏｎｇ Ｊｉａｎｇｍｅｎ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．：Ｊｉａｎｇｍｅｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５２９ｏｏｏ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｉｍｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｆｌｏｗ ｍｅｔｅｒ ｉｓ ａＮ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓｅｓ ａｎｄ ｅｑｕｉｐ－ ｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｒａｔｉｏｎａｌｅ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｉｔｓ ｓｅｔ—ｕｐ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａ— ｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｔｉｍｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｌｆｏｗ ｍｅｔｅｒ；ｆｌｏｗ ｍｅａｓｕｒｅ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ 近年来，时差式超声波流量测量技术发展很快，在冶金、 食品、供水等行业得到广泛应用。时差式超声波流量计是节 顺流方向超声波的传播时间为： ｔ．＝—— 一 ｃＣＯＳ０十ｖ （２） 约能源、改进产品质量、提高经济效益及改善管理水平的重 要工具。 式（１）、式（２）中 为超声波发射器与接收器之间的轴向 （水平）距离（ｍ）；Ｃ为超声波在被测流体中静止时的传播速 度（ｍ／ｓ）； 为被测流体的流速（ｍ／ｓ）。由式（１）减去式 （２），并整理，得： １工作原理 超声波在流体中传播，顺流方向时，声波传播速度会增 大；逆流方向时，声波传播速度会减小。因此，在同一距离传 播时间不同，利用传播过程的时间之差可得到被测流体的流 速。时差式超声波流量计工作原理如图１所示。 Ａｔ＝ｔ１１一ｔ２—— ２—ｃ２ｃｏｓ２—０－－ｖ２（ 一般为： 一般为：３０。≤ 。≤０￣４５￣）） 由于超声波的传播速度Ｃ远大于流体流速１，，且３０。≤０ ≤４５。，可认为ｃ２ｃ。ｓ２０－－Ｖ２￣．ｃ２ｅｏｓ２ ０，故△ｔ￣－ｔｌ－ｔ２ 即有： ， ｖ —— ！： 旦Ａ 、，：、 （ｌ３３）） ２ 娃ｌ罄 璺 二三＼ ＼ ｘ 由式（３）可见，当超声波在静止流体中的传播速度Ｃ为常 数时，流体流速仅与时间差Ａｔ成正比，测得Ａｔ即可求出流 速，进而求出流量。 Ｉ传感器１ ２ 时差式超声波流量计的应用 ２．１ 主要特点和应用领域 时差式超声波流量计的特点是具有无压力损失，无流动阻 挠测量，可测量非导电性流体，主要用于测量清洁液体和气 体，特别在大口径流量测量方面具有明显的优势。时差式超声 图１ 时差式超声波流量计工作原理图 逆流方向超声波的传播时间为： ｔ＝—— ｃＣＯＳ０一ｖ 【作者简介】邬金鹏（１９７４一），男，本科，电气工程师，广东省江门市自来水有限公司技术管理员，主要从事仪表设计、试验、选型、安装、测试及应 用等技术管理工作。 １６ 波流量计主要应用于给排水工程、生物工程、医药工业和食品 工业等领域。 的选择是关键。首先要确定正确的传感器安装间距，然后在 测量管段上选择最佳测量点。对测量点进行选择时应注意以 下几点： ２＿２精度等级、性能和功能 常用的时差式超声波流量计的性能差别较大：有些精度 高，功能大；有些精度低，功能简单。精度高的基本误差 为±０．５％～±１．０％，精度低的基本误差为±１．５％～±３．０％。 精度高的时差式超声波流量计有严格的安装要求和参比条件。 时差式超声波流量计在性能和功能上的差别也较大：性能好的 测量效果稳定，计量准确，使用寿命长；性能较差的则测量效 果较不稳定，计量准确性较差，使用寿命短。功能简单的仅有 单向流量测量功能，只能输出模拟信号；多功能的有双向流量 （１）测量管段宜选用无缝钢管，外贴式安装时，管材应均 匀致密。若为有缝管，采用“Ｖ”形安装、“Ｎ”形安装和 “ｗ”形安装时，管内壁应平滑，缝与传感器不应在管轴平面 上，以免信号发生漫反射，引起信号衰减。 、（２）在水平测量管段，传感器宜安装在正侧位置（即３点 钟、９点钟位置），因为管道内上部位置往往聚有气泡或气穴， 底部有沉淀物，从而引起信号衰减。 （３）上、下游２个测量点应与管轴线组成一个轴平面。否 测量、故障自诊断和各种信息报警、压力测量、上位机通信 则，难以接收信号或引起信号衰减。 等。表１列出了时差超声波流量计与其他常用仪表在精度、测 ３．１．３安装类型和方式 量范围、口径及价格的比较情况。 传感器安装有外贴式和插入式２类。外贴式安装是指传感 表１ 时差式超声波流量计与其他常用仪表的精度、测量范围、口径及价格 较表 器安装在管外表面，其安装和拆卸方便， 电磁流量计 时差式超声波流量计 涡轮流量计 机械式普通水表 但由于传感器与管壁间的耦合剂易干燥， 有可能引起信号衰减，因此须定期更换 精度（基本误差：％） ±０．３～±３．ｏ ±ｏ．５～±３．ｏ ±１．０～±５．ｏ ±２．Ｏ～±５．ｏ 耦合剂和重新安装传感器。插入式安装 测量范围（流速：ｍ／ｓ） ０．０１～１２ Ｏ．０ｌ～ｌ２ ０．３～１Ｏ Ｏ．Ｏ５～７ 是指将传感器插入管内，其安装和拆卸 口径（衄） ２～３ ｏｏｏ ２～５ ０００ ２～ｌ ０ｏｏ １５～５０Ｏ 较为麻烦，但不存在重新安装传感器的 价格 高 较高 较低 低 问题。 ２．３被测量流体的要求 传感器安装方式有４种：“ｚ”形、“ｖ”形、…Ｎ’形和 “ｗ”形 （图２为…Ｚ’形、“ｖ”形、“ｗ”形安装方式的俯 时差式超声波流量计应用于清洁单相液体和气体，流体中 视图）。采用何种安装方式，要根据具体的应用条件来选择。 气泡较少；流体呈层流，在紊流状态下测量误差较大。由于超 …Ｚ’形安装方式适用于大管径道，管径一般为６００ ５ ０００ ｍｍ； 声波在被测流体中的传播速度受流体温度、含盐量等条件的影 “ｚ”形安装方式更适合管内壁结垢或生锈严重的管段，它具 响，所以应尽量避免时差式超声波流量计在温度、含盐量等变 有信号强，测量精度高等优点； “Ｖ”形安装方式适用于管径 化较大的状态下进行测量，以减少测量误差。 适中的管道，管径一般为２００～８００ ｍｍ， “Ｖ”形安装方式通 ３安装和使用注意事项 常是标准安装方式，它具有安装方便，测量准确的状态， “Ｎ” 形和“ｗ”形安装方式适用于小管径管道，管径一般＜２００ ｍｍ。 ３．１传感器的安装要求 …Ｎ’形和“ｗ”形安装方式较少被采用，这２种方式是通过 ３．１．１测量管段位置 延长超声波距离的办法来提高小管道内流体的测量精度。 为保证时差式超声波流量计的测量精度，测量管段位置的 选择应遵循以下原则： （１）选择充满流体的管段，传感器安装方向应保持水平， 或垂直，或倾斜，流体自下而上流动。 （２）测量管段位置应远离弯管段、三通、节流阀、阻尼 孔、缩径管或其他会引起紊流的管段，至少有１０ Ｄ的上游直 图２ “Ｚ”形、“Ｖ”形、“Ｗ”形安装的俯视图 管段和５Ｄ的下游直管段。 （３）对于在泵、控制阀或套管弯曲段后的测量管段位置， ３．２转换器的安装要求 其上游管段应要求有３０ Ｄ以上，一般只需５ Ｄ下游直管段。 ３．２．１ 转换器安装和连接电缆 （４）应避免在电磁干扰大的环境中安装流量计，以免导致 转换器安装在传感器附近的仪表室，与传感器距离一般不 信号强度减弱产生波动，影响流量计正常工作．。 ３．１．２测量点的选择 、 超过３００ｍ，且距离越短越好，环境温度在一２０℃～５０℃之间， 其防护等级与传感器防护等级相同，为ＩＰ６５（ＧＢ ４２０８－－１９９３） 获得最强的信号和最佳的测量精度，测量管段中测量点 （下转第２Ｏ页） １ ７ 图４第５ 煮糖罐的监控过程画面 ４ 结语 该项目自从２００８－－２００９年榨季就已经投运了，２Ｏ０９— ２００９年榨季能够出色地完成公一Ｊ下达的牛产仟务，目前生产 情况稳定正常，不仅降低了’劳动 Ｊ成本，提高ｒ产品质量，而 且收到了良好的经济效益及社会效益。固 ［责任编辑：刘新英］ ２０１０年的榨季已经开始了，投运至今该系统的可靠性经得起考 验。该系统维护方便，对操作员来说更是容易操作，在２（）（】８— （上接第１７页） 《电器产品外壳防护试验标准》规定的防尘喷水级）。电源电缆 和信号电缆应采用金属套管铺设；信号电缆的金属套管宜 单独接地保护；电缆的分布电容、导线面积、屏蔽层数和屏蔽 应用和安装应给予充分重视，只有在仪表位置符合要求、仪 表安装正确及前后直管段充足等条件同时具备的情况下，测 量系统的测量精度才能达到规定要求。时差式超声波流量计 密度等参数应与制造厂家规定的参数一致，宜采用制造厂家生 产的电缆。 在使用过程巾，应按照使用要求才能保证仪表的稳定性和计 量准确。固 ３．２．２接地要求 转换器应单独接地，接地电阻应在４ Ｑ以下，采用６ ｉＴｌｍ 的铜导线连接。 参 考２００７． 文献 ［１］苏彦勋，等．流量计量与测试［Ｍｊ．北京：中国计量出版社， ４结语 生产工艺复杂程度和自动化程度的不断提高，对流量测 量及控制提出了更高的要求，对时差式超声波流量计的使用 ［２１李俊，等．流量仪表在石油行业中的合理选型和应用试验［Ｊ１．自 动化与仪表，２００９（６）：５６ ５９． ［责任编辑：蒙薇］ 功能和精度等的要求也越来越高。对时差式超声波流量计的 ２０
