超声波热量表

一、超声波热量表原理

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。

1、时差法：测量顺逆传播时传播速度不同引起的时差计算被测流体速度。

它采用两个声波发送器（SA和SB）和两个声波接收器

图1

（RA和RB）。同一声源的两组声波在SA与RA之间和SB与RB之间分别传送。它们沿着管道安装的位置与管道成θ角(一般θ=45°)（图1）。由于向下游传送的声波被流体加速，而向上游传送的声波被延迟，它们之间的时间差与流速成正比。也可以发送正弦信号测量两组声波之间的相移或发送频率信号测量频率差来实现流速的测量。

2、相位差法：测量顺逆传播时传播时由于时差引起的相位差计算速度。

它的发送器沿垂直于管道的轴线发送一束声波，由于流体流动的作用，声波束向下游偏移一段距离。偏移距离与流速成正比。

3、频差法：测量顺逆传播时传播时的声环频率差。

当超声波在不均匀流体中传送时，声波会产生散射。流

图2

体与发送器间有相对运动时，发送的声波信号和被流体散射后接收到的信号之间会产生多普勒频移。多普勒频移与流体流速成正比。如图2中被测流体的区域位于发射波束与接收到的散射波束的交叉之处。要求波束很窄，使两波束的夹角θ不致受到波束宽度影响。也可只采用一个变换器既作为发送器又作为接收器，这种方式称为单通道式。在单通道多普勒血液流量计中，发送器间隔地发送声脉冲信号，在两个声脉冲间隔的时间中，接收从血管壁和血管内红血球反射回来的声脉冲信号。采用控制线路选择给定距离处的红血球反射信号,通过比较后得到多普勒频移,它与血液流速成正比。在已知血管横截面时可得到血液流量。

二、特点

(1)超声波热量表可作非接触测量。夹装式换能器超声流量计可无须停流截管安装，只要在既设管道外部安装换能器即可。这是超声流量计在工业用流量仪表中具有的*优点，因此可作移动性（即非定点固定安装）测量，适用于管网流动状况评估测定。

(2)超声波热量表为无流动阻挠测量，无额外压力损失。

(3)超声波热量表适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，可认为是在无法实现实流校验的情况下优先考虑的选择方案。

(4)超声波热量表可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。

(5)某些传播时间法超声流量计附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声速以判断所测液体类别。例如，油船泵送油品上岸，可核查所测量的是油品还是仓底水。

(6)传播时间法超声流量计只能用于清洁液体和气体。

(7)外夹装换能器的超声流量计不能用于衬里或结垢太厚的管道，也不能用于衬里（或锈层）与内管壁剥离（若夹层夹有气体会严重衰减超声信号）或锈蚀严重（改变超声传播路径）的管道。

三、参数

* 测量精度：优于1％

* 重 复 性：优于0.2%

* 测量周期：500ms (每秒2次，每个周期采集128组数据)

* 工作电源：220VAC/8~36VDC

* zui大流速：64m/s(流速分辨率0.001m/s)

* 显    示：2×10汉字背光液晶可显示瞬时流量及正、负、净累积流量、流速等

* 操    作：4×4轻触键盘 (F4主机磁性4按键) 操作

* 信号输入：◇3路4-20mA模拟输入,精度0.1%,可输入压力、液位、温度等信号

            ◇2路三线制PT100铂电阻

* 信号输出：◇1路隔离RS485输出

　　        ◇1路4-20mA或0-20mA输出

            ◇1路隔离OCT (脉冲宽度6~1000ms之间可编程，默认200ms)

            ◇1路继电器输出 (脉冲宽度200ms )

* 数据存储：选配内置数据存储器（SD卡) 可存储时间、瞬时流量、累积流量、信号状态等，通过软件可将数据导入计算机，便于统计与管理* 通讯协议：MODBUS协议，M-BUS协议，FUJI扩展协议，并兼容国内其它厂家同类产品的通讯协议

* 其它功能：◇自动记忆前512天、前128个月、*年正/负/净累积流量

            ◇自动记忆前30次上、断电时间和流量并可实现流量的自动或手动补加，可通过MODBUS协议读出

            ◇可编程批量（定量）控制器，故障自诊断功能

            ◇可通过传送来的代码文件实现软件升级

* 防护等级：传感器IP68，F4主机IP68，其余主机IP65                         

* 防爆等级：EXdⅡBT4 (JN-100F2型)

四、选型分类

1.管道式超声波流量计

精度zui高，可达到�0.5%，而且不受管道材质、衬里的限制，适用于流量测量精度要求高的场合。但随着管径的增大，成本也会随增加，通常情况下，选用中小口径的管段式超声波流量计，较为经济。

2.时差式超声波流量计

时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比，这一原理来测量流体流量。

目前生产zui多、应用范围zui广泛的是时差式超声波流量计。它主要用来测量洁净的流体流量，在自来水公司和工业用水领域，得到广泛应用。

3.便携式超声波流量计

主要用于校对管道上已安装其它流量仪表的运行状态，进行一个区域内的流体平衡测试 ，检查管道的当时流量情况等。如果不作固定安装，而用于这些用途时，选用便携式超声波流量计既方便又经济。

4.多普勒超声波流量计

换能器经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂志含量稳定的工厂过程液等。要注意它对被测介质要求比较苛刻，即不能是洁净水，同时杂质含量要相对稳定，才可以正常测量，而且不同厂家的仪表性能及对被测厂家的要求也不一样。

5.固定式超声波流量计

使用插入式换能器代替外贴式换能器，*消除了管衬、结垢及管壁对超声波信号衰减的影响，测量稳定性更高，也大大减小了维护工作量。而且，由于插入式换能器也可以不断流安装，所以其应用正在不断推广。 有的厂家推出了内部为数字化电路的超声波流量计，其特点是采用数字电路处理信号，纠错能力增强，取样及时，精度提高(模拟电路的精度为�1.5%，数字电路可以达到�1.0%)，而且集成度提高，仪表体积大大减小，有多种信号输出模式供选择，在实际应用也取得了很好的效果。用户在使用中可以和模拟电路的超声波流量计进行比较。 超声波流量计的功能选择，用户可以根据实际情况来确定。如果测量双向流体，一定要选择带有正负计量功能的超声波流量计；如果用户需要定期了解流体在一定时段有流量情况，可以选择带打印机的超声波流量计。

五、安装

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*)一般均可安装于水平、倾斜或垂直管道。垂直管道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法的反设处必须避开焊缝和接口(参见图11)。

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。例如Instromet公司的USF显示仪中有声干扰实时测量报警；测量管道中采用如图9所示弯管阻断声干扰的措施。