便携式超声波流量计现场管道流量测量与分析

现在盛行的便携式超声流量计使用方便灵活，一般适用于测量大口径管道的流量，然而现场应用的实际测量精度，常因工作疏忽，换能器安装距离及流通面积等测量的误差而造成精度下降。不正确的安装甚至会使得仪表完全不能工作。因此，仪表现场的安装与调试对于测量是非常重要环节，本文就现场使用超声波流量计所遇到的问题进行分析，总结出管道流量精确测量的方法。

1 超声波流量计的原理

超声流量计利用超声波在流动的流体中传播时，可以载上流体流速信息的特性，通过接收和处理穿过流体的超声波信息就可以检测出流体的速度，从而换算成流量。它具有下列主要特点：①解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠的测量困难的问题；②对介质几乎无要求；③测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等参数的影响；④测量范围度宽，一般可达20∶1。

时差法[1]测量是在被测流体内由两对超声波发生器和接收器组成两个通道，分别在顺流方向和逆流方向发射超声波脉冲，测量其传播的时间差△t。

顺流方向发射超声波脉冲的传播时间为

逆流方向发射超声波脉冲的传播时间为

其中：L——超声波发射器到接收器之间的距离，也称声程；c——被测流体静止时的超声波传播速度；u——被测流体的速度。

在顺流和逆流情况下超声波的传播时间差为

由于超声波传播速度c远大于流体流速u，故可认为c2-u2≈c2，故

即

由上式可见：当超声波在静止流体中的传播速度可认为常数时，流体流速就与时间差△t成正比，测量△t即可得到流速，进而求得流量。

2 超声波流量计的安装与调试

一般，超声波流量计的安装应从以下几个方面考虑：①详细了解现场情况；②确定安装方式；③选择安装管段；④计算安装距离，确定探头位置；⑤管道表面处理；⑥探头安装及接线；⑦用示波器观察接收波形，微调并固定探头。

2.1 换能器[2]的安装

（1）正确选择安装地点

一般，当管道内径为D时上游直管段长度应大于10D，下游大于5D。当上游有泵、阀门等阻力件时，直管段长度至少应有30～50D，有时甚至要求更高，如距泵房要求70～100m。当采用双声道或多声道测量时，表前直管段可以有明显缩短。

不同形式阻流件应配置的直管段长度列于表1所示。

（2）正确选择安装方式[3]

当流体平行于管轴流动时，通常可用图1中的透过法（Z法）安装能获得较好的精度。但当流体流动方向与管轴不平行，存在半径方向的速度成分时，应采用图1中的反射法（V法）或者采用2V法安装。对于已配置好的流体管道，特别是测量大口径管道流量时，由于上游流动状态的干扰而易于造成测量误差的场合，比较合适的措施是增加测量线，即增加超声波的传播路径，更多地接受传播路径中的流速信息，进行平均，以抵消流体扰动造成的测量误差。增加测量线时，换能器的安装应使超声波传播途径均匀地置于流通截面上。一般认为有4条测量线（即4个换能器）就足够了。

（3）确定安装距离

换能器的安装应根据具体的测量方式依据说明书上的步骤进行，各种测量方式下的安装步骤略有不同，但其原理相似。下面以普遍应用的透过法（Z法）的换能器安装为例，说明一对换能器的安装距离的确定方法。

一对换能器的安装有个基本原则，称为距离法[4]：就是发射换能器与接收换能器应在管道的半圆平分线上（对于V法，则在同一半圆基线上），并根据实际的管道内径，壁厚及被测流体的性质，参数等核算，确定两换能器之间的轴间距离h，保证安装时h值的准确。其计算公式：

h=2δ tanθ2+D tanθ3

其中：δ——管壁厚；D——管内径；θ2——声波进入管壁中角度；θ3——声波进入流体中角度

目前的超声流量计显示仪表一般都有计算安装距离的功能，只要将管道材料、管径、壁厚、等管道参数，流量计就能计量出安装距离h，然后用上述的距离法确定安装位置。

上述距离法只能用于管道条件较好的场合。当管道条 件不好时，如由于使用时间太长，结垢严重，又不知结垢（1）正确选择安装地点实际厚度，这时就很难确定安装距离h，对于这种情况，可采用渡越时间法[5]安装换能器。 [p]

图1 换能器的安装

首先将显示仪表的灵敏度旋钮到中间位置，然后按要求将一只换能器固定在管道的一侧，将另一只换能器涂上黄油在管道的另一侧沿上，下，左，右方向移动，观察显示仪表的循环显示灯或数字，当循环显示灯亮了或有数字显示，则微动换能器，观察渡越时间，当渡越时间接近所给定的数值时，停止移动换能器，此时若渡越时间的前4位数稳定时，说明换能器已安装好。将换能器固定好，仪表就可以正常工作了。

2.2 显示仪表的安装

（1）显示仪表的安装地点

显示仪表的安装地点应选择振动冲击很小的位置，注意避免电磁场的影响，仪表电源应避免引起电压波动，使用环境温度亦应在说明书中的范围之内，除特殊密封仪表外，应安装在无腐蚀性的环境中。

（2）连线长度

仪表与换能器之间的连线应用屏蔽线，连线长度按说明书要求，一般不超过500m，但在发电厂，由于干扰较大，连线长度一般不超过100m。

3 实际案例与经验总结

为了找出影响超声波流量计精度的因素，在测量江苏东南钢铁厂排水系统管道流量的时候，进行了现场的试验。总结了一下几点经验。

（1）要有足够长的表前直管段长度（如表1所示）。

（2）管道几何尺寸精确，管内结垢不能太厚。由流量与管径的关系可知，管径每存在1%的误差，就会产生约3%的流量测量误差。因此，使用超声波流量计时，必须将壁厚测量精确。

管道结垢，不但造成管径误差，还会使声波发生散射，降低超声波流量计的测量精度。结垢过厚时，仪表甚至不能工作。表2为管道结垢对流量测量的影响计算表。

对于有的管道结垢已非常严重，可以先把换能器拿下来，用手锤敲敲安装换能器的部位，水垢收到震动后会局部掉落下来，再把换能器安装在管道上测试，如果还不行，只有建议单位将测量段管道更新为不锈钢管道。

（3）在仪表的上游的管道上设置排气阀

输水管道中有空气是普遍存在的问题，源水管道中气体含量更大。管道中的气体占据管道有效截面积，使流量测量产生误差。如果管道中气体过多，会使超声波发生散射而使仪表不能工作。因此，在仪表上游安装排气阀是必要的。

排气阀的位置应安装在仪表上游30D以上处，每隔一定时间就应排气一次。在东南钢铁厂DN600和DN900两管道做试验发现，在没有安装排气阀时，流量计约多计水量9%～10%。

（4）管道中的流体没有充满管道

当换能器在管道上安装好后，流量计接收的强度信号在荧幕上仍没有显示，而其他预显程序正常时，说明管道中流体没有充满管道。

4 结束语

通过对基本原理的了解和现场试验的经验总结，再次对东南钢铁厂的排水系统测量流量，通过与已校准的在线流量计的对比，发现当考虑了以上干扰精度的因素和采用合适的安装方法后，测量精度由第一次的±1.67%提高到±0.81%，满足了测试精度的要求。

参考文献
[1]苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试[M].北京：中国计量出版社，2007，112-123.
[2]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].北京：化学工业出版社，2005，120-122.
[3]蔡武昌，应启夏.新型流量检测仪表[M].北京：化学工业出版社，2006，59-63.
[4]孙淮清.流量测量方法和仪表的选用[M].北京：化学工作出版社，2006，163-167.
[5]Miller.R.W.流量测量工程手册[M]北京：机械工业出版社，1995，120-126. (end)