便携式超声波流量计对在线流量计的比对

1 测量原理

超声波测量封闭管道流量的方法根据检测原理可分为多种，主要有时差法、多普勒法和声束偏移法。多普勒法主要用于测量气液两相流体或气固两相流体，而声束偏移法利用超声波在流体中传播时因流体流动而产生的偏移程度来反映流速或流量值^[1]。
便携式超声波流量计采用的是时差法进行测量，声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间，利用传播时间之差与被测流体流速之间的关系可求取流体流速，计算出流体流量。其测量原理如图1所示。
便携式超声波流量计是将换能器用夹装件固定在测量管道的外壁上，无需管道断流，安装简单、使用方便。测量时，晶体发出的声波通过声楔、耦合剂、管道壁、衬里等物件传到被测流体。

在测量时需确定被测管道外径、管道厚度及衬里厚度以计算管道流通截面积，确定管道材质、衬里材质、流体名称和流体黏度以计算超声波的传播速度，还需确定换能器的安装方式以计算超声波的传播长度。

当以上这些数据输入到流量计的主机后，主机可以精确地计算出换能器的安装距离。

2 安装方法

换能器常见的3种安装方式为Z法、V法、W法，如图2所示。

通常情况下，管径小于300mm时，采用V法安装，管径大于200mm或接收到的信号较弱时，宜采用Z法安装。对于既可以用V法安装又可以用Z法安装的换能器，尽量选用Z法。实践表明，Z法安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好。当管道直径非常小，在DN80以下时，可采用W法，但此种测量方法超声波经多次反射，接收到的信号非常弱，而且对安装的要求也很高，建议尽量不要采用此方法。
安装换能器时，管道外表面应去除保温层、去漆，锈迹应砂平，涂匀耦合剂，不能有空隙，否则声波会在固、气界面上发生折射，无法传到被测流体。

换能器前后要有足够长的直管段，以确保流体所需的流速分布，一般情况下要求前直管段10D以上，后直管段5D以上，而且上游30D内不能装泵、阀等扰动设备。换能器安装在倾斜和水平管道上时，不要装在上部或底部，以免管道内的气体或杂质进入测量声道。换能器的安装要使超声波传播途径通过管道中心^[2]。

3 测量精度

将便携式超声波流量计安装在水流量标定装置不同管径的管道上，对其进行实流测试，由测试数据可以看出，便携式超声波流量计的测量精度可达1.5级。当在现场安装使用时，因受现场条件、介质状态、管道数据及安装的影响，测量精度略有降低，但测量误差不应超过其实际流量的士5%，因此，使用便携式超声波流量计对在线流量计进行在线比对是*可行的。

4 在线测量中易出现的问题及对策

如果便携式超声波流量计安装启动后，出现输出时有时无，且误差大的现象，有以下几种可能。

（1）换能器的安装距离不对。此时需检查换能器的安装距离与主机计算出的数据是否一致，轻微调整换能器的安装位置与距离，提高信号强度。
（2）仪表设定的管径、衬里、流体等参数有误。此时需要对参数重新进行核实。
（3）换能器的安装位置不对。换能器安装时应避开管道的焊缝及连接处，也不能装在倾斜或水平管道的上部或底部，上部有可能流体不满管，底部则有可能有杂质或泥沙。
（4）流体中气泡太多。此种情况下排除气体即可得到稳定的信号。
（5）管道内部有结垢，凹凸不平。此时可以用手锤击打测量点的管壁，如果接收到的信号强度不断上升，则说明是管道内壁结垢太厚引起的，可继续击打测量点，使接收的信号达到要求为止。
（6）附近有泵或有无线电波干扰。换能器的安装需避开这些位置。

5 结论

综上所述可以看出，便携式超声波流量计在实际应用中具有不可替代的优势：可实现不断流测量，设备体积小，便于携带，安装方便；外卡式探头，不干扰流场，无压力损失；仪表无可动及易损部件，稳定性好；适用范围广，可用于各种类型流量计的在线比对；适应性强，可用于不同管径的比对；标准表价格基本与所测管径无关，性价比高。

但便携式超声波流量计受其自身测量方式的限制，测量精度受到很多外界因素的影响，在实际应用中也存在着一些不足之处。

（1）要求用户确定管道条件，包括管道材质、确切的管道外径、壁厚、衬里材质和厚度等，当管道条件不确定时，会降低测量准确度。
（2）对管道内壁要求较高，不能有腐蚀、结垢、结晶等现象，锈蚀会改变超声波传播路径，衬里与内管壁剥离的管道有气体会严重衰减超声波信号，衬里或结垢太厚的管道也会带来较大的流量误差。
（3）人为因素对测量的影响较大，对操作人员要求很高。
（4）便携式超声波流量计的精度相对低一些，不能用作流量计标定，只可提供在线流量计的参考数据。
（5）主要用来测量洁净的流体和杂质含量不高（杂质含量小于10g/L，粒径小于1mm）的均匀流体，而不能用来测量气体流量，因为管道和被测气体的密度相差太大，声波在管道壁中的传播速度远大于气体中的传播速度，声波经过管壁折射后已无法满足测量要求。

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