超聲波流量計的工作原理

超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的一種流量測量儀器，適于 測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。根 據(jù)對信號檢測的原理，超聲波流量計大致可分為傳 播速度差法（包括：直接時差法、時差法、相位差法、 頻差法）、波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波 法及噪聲法等。其中，頻差法和時差法克服了聲速 隨流體溫度變化帶來的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被 廣泛采用。

時差法超聲波流量計原理。有兩個換能器一順流換能器和逆流換 能器,兩個換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)，并 相距一定距離。超聲波行走的路徑長度為i,超聲 波的傳播方向與流體的流動方向夾角為0。由于流 體流動的原因，超聲波順流傳播i長度的距離所用 的時間比逆流傳播所用的時間短，其時間差與流體 流速存在線性關(guān)系。這樣,通過觀測超聲波在介質(zhì) 中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流 速,再通過流速來計算流量。

3.超聲波流量計的影響因素分析

常見的影響超聲波流量計現(xiàn)場檢測精度的因 素可以歸納為以下幾點：

（1）流量計本身的計量精度；

（2）管道因素的影響（直管段長度、管徑、輸入 壁厚、內(nèi)襯及管道材質(zhì)等）；

（3）噪聲的影響（被測介質(zhì)是否滿管及附近是 否有干擾源）。

3.1流量計本身的計量精度

現(xiàn)場采用便攜式流量計 Portaflow作為液體流量主要檢測儀器，其原理是采 用時差法測量。儀器借助夾鉗式傳感器，能夠* 測量密閉管道內(nèi)的液體流量。該儀器配有A、B兩 種傳感器，即換能器，分別用于小管徑及大管徑管 道的測試，能夠測量幾乎所有管道材質(zhì)及管徑范圍 從13mm ~ 5000mm的管道流量。廣州市能源檢測研究院校準(zhǔn)證書校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

可見,常見流速范圍內(nèi)，所用便攜式流量計Por- taflow示值誤差均在±2%以內(nèi)，其中A傳感器為正 偏差，且在流速為0. 89m/S、流量為25.0m3 /h時，其 誤差*小;B傳感器為負(fù)偏差，且在流速為3.5m/s、 流量為100. 0m3/h時，其誤差*小。示值誤差隨著 被測管道流量的變化曲線。

可見,在管道流量40m3/h以內(nèi)，A、B兩種傳感 器示值誤差變化較為平穩(wěn)。當(dāng)管道流量大于 40m3/h時，隨著被測管道流量的增加，A傳感器示 值誤差逐漸加大，而B傳感器逐漸減少。現(xiàn)場空調(diào) 水流量檢測時，為減少測試誤差，大流量管道應(yīng)選 擇B傳感器,小流量管道采用A傳感器，且應(yīng)根據(jù) 計量結(jié)果對流量測量結(jié)果進(jìn)行修正。

3.2管道因素的影響

由于現(xiàn)場空調(diào)管道情況的影響，便攜式超聲波 流量計的使用精度往往低于其標(biāo)稱精度，當(dāng)誤差較 大時,甚至不能滿足使用要求。為了評價管道因素 對便攜超聲波流量計的影響，用便攜式流量計進(jìn)行 了管道影響因素的試驗分析。

(1)直管段（流態(tài)）。一般要求流量計上游、下 游分別有管徑10倍和5倍以上的直管段（稱之為標(biāo) 準(zhǔn)直管段長度工況）,以確保被測介質(zhì)的流態(tài)滿足儀表精度要求。實際檢測時,往往找不到滿足標(biāo)準(zhǔn) 直管道長度工況要求的安裝位置，在標(biāo)準(zhǔn)直管段長 度和非標(biāo)準(zhǔn)情況下試驗結(jié)果如表2所示。

結(jié)果表明，上游直管段對精度影響較大，下游 直管段對精度影響較小。依據(jù)試驗結(jié)果，上游側(cè)有 3倍以上、下游有1倍以上管徑直管時，可基本滿足 使用要求（與標(biāo)準(zhǔn)直管道長度工況相對誤差在1% 以內(nèi)）。

(2)管道參數(shù)輸入誤差的影響。流量計安裝 時,需輸入管徑、管壁厚等參數(shù)。在管道固定不變 的情況下改變輸入?yún)?shù)。

從表看出，管徑設(shè)置（輸入）誤差與流量 測量結(jié)果誤差之間的關(guān)系為正相關(guān)，即管徑輸入誤 差為正偏差，實際測量結(jié)果誤差為正偏差。管徑外 徑誤差導(dǎo)致管道截面積誤差，進(jìn)而影響流量計算， 測量結(jié)果誤差隨著管徑設(shè)置（輸入）誤差的變大而變大。管徑誤差為-10%時，超聲波流量計顯示無 信號。管徑誤差為+ 10%時,DN100管徑流量測量 相對誤差達(dá)到12. 1%。因此，節(jié)能檢測時，管徑誤 差對超聲波流量計測量結(jié)果影響較大，管徑誤差應(yīng) 準(zhǔn)確輸入。

從表看出，管壁厚度設(shè)置（輸入）誤差與 測量結(jié)果誤差成負(fù)相關(guān)，即管壁厚度輸入為正偏 差,測量結(jié)果誤差為負(fù)偏差。壁厚誤差同樣導(dǎo)致內(nèi) 徑誤差，造成流量測量誤差。管道尺寸108mmX 4mm,壁厚輸入在±2mm誤差范圍內(nèi)，此時流量實 測值*大相對誤差為+1.5% ;管道尺寸159mm X 4. 5mm,壁厚輸入誤差在± 1. 5mm誤差范圍內(nèi)，此 時流量實測值*大相對誤差為+2.8% ;管道尺寸為 219mm X 6mm,壁厚輸入誤差在± 3mm誤差范圍 內(nèi)，此時流量實測值*大相對誤差為+3.9%。節(jié)能檢測中，壁厚輸入誤差對管道實測流量的影響一般 在5%范圍內(nèi)。對于準(zhǔn)確測量，需要*測量管壁 壁厚，以免影響管道流量測量結(jié)果。

從表看出，流體溫度誤差對流量測量結(jié) 果的影響較小,現(xiàn)場節(jié)能檢測時可以忽略不計。流 體溫度主要通過影響流體密度,進(jìn)而影響流量計算 結(jié)果。查詢相關(guān)試驗數(shù)據(jù)可知，流體溫度對流體密 度的影響相對較為微小。

(3)內(nèi)襯及管道材質(zhì)的影響。被測管道材質(zhì)及 內(nèi)襯輸入錯誤時,造成傳感器安裝距離i的計算錯 誤,使超聲波流量計的入射角0產(chǎn)生誤差,影響測量 結(jié)果,嚴(yán)重時影響測量信號，使超聲波流量計無法 正常工作。試驗表明，管道內(nèi)襯對測量的影響主要 源于其造成了實際管徑的變化。內(nèi)襯減少了過水 截面積,通過流速換算的流量相應(yīng)偏小。測量誤差 與管道截面積的變化成正比，如果內(nèi)襯過厚、設(shè)置 時被忽略或內(nèi)襯與管壁有間隙時，一般會發(fā)生探測 或信號錯誤。因此,測量時應(yīng)據(jù)實準(zhǔn)確輸入內(nèi)襯的 材料及厚度。如果遇到管道內(nèi)壁結(jié)垢相對均勻、信 號基本正常時，也可將管道內(nèi)壁結(jié)垢視為內(nèi)襯，進(jìn) 行一定的補(bǔ)償，可以減少測量誤差。目前，節(jié)能檢 測的對象一般是新建建筑,幾乎不存在管道內(nèi)壁積 垢的問題。管道及內(nèi)襯材質(zhì)對測量的影響反映在 超聲波在各種介質(zhì)中傳播速度的差異上，如果材質(zhì) 的實際聲速小于設(shè)置的聲速（如錯把塑料管當(dāng)鍍鋅 鋼管）,則測量結(jié)果偏大,反之則偏小。

3.3噪聲的影響

如果流體中存在超聲噪聲，且噪聲的頻率與超 聲波流量計的工作頻率范圍一致，那么將使得換能 器無法檢測并分辨出正常的工作超聲脈沖信號,導(dǎo) 致流量計發(fā)生讀數(shù)錯誤或停止計量?，F(xiàn)場檢測時, 產(chǎn)生超聲噪聲的噪聲源有很多，*常見的是管道非 滿管及流體介質(zhì)污濁。一般來說,現(xiàn)場檢測噪聲的 產(chǎn)生源主要有：(1)流過管道的高速氣流（非滿管 流）;(2)附件的干擾源（壓力或流量調(diào)節(jié)閥、水泵風(fēng) 機(jī)運行等）。

超聲波流量計對降壓元件產(chǎn)生的噪聲尤其敏 感,甚至有些低噪聲閥門比調(diào)壓閥對超聲波流量計 產(chǎn)生的影響還要大，這是因為，采用了低噪聲技術(shù) 的閥門主要是針對人耳可聽見的噪聲范圍進(jìn)行降 噪,而這個范圍與影響超聲波信噪比的聲譜范圍不 完全一致。國外氣體流量實驗室開展的不******型的“噪聲發(fā)生器”（如整流器、調(diào)壓閥等）對超聲波流 量計性能影響的定量測量實驗研究結(jié)果表明，噪聲 (如整流器產(chǎn)生的噪聲）對某些類型的超聲波流量計準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性存在一定的影響，其帶來的計量 誤差可達(dá)2%。一般來說,為降低噪聲干擾，宜把流 量計安裝在調(diào)節(jié)閥等噪聲元件的上游。

4.小結(jié)

超聲波流量計是節(jié)能檢測的設(shè)備，節(jié)能檢 測中要求的或涉及到的流量參數(shù)（冷水機(jī)組實際性 能系數(shù)、空調(diào)水泵效率、冷熱水總流量、冷卻水總流 量、空調(diào)機(jī)組水流量等）都需要超聲波流量計測量， 其優(yōu)點是不用在流體中安裝測量元件，不會改變流 體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，因而在節(jié)能檢測 中應(yīng)用非常廣泛。在實際應(yīng)用中，需要注意以下 問題：

（1）定期對超聲波流量計進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，定期 送檢計量,并根據(jù)計量結(jié)果對檢測結(jié)果進(jìn)行修正。

（2）測量數(shù)據(jù)不僅僅是個儀表顯示數(shù)值，它需 要在測量過程中綜合考慮管道因素（直流管段長 度、管徑、壁厚、流體溫度等）的影響,盡可能降低測 量誤差。

（3）被測管道材質(zhì)及內(nèi)襯輸入錯誤時，將產(chǎn)生 較大的測量誤差，因此測量時應(yīng)據(jù)實準(zhǔn)確輸入管道 材質(zhì)及內(nèi)襯材料。

（4）噪聲對超聲波流量計準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性存在 一定的影響，現(xiàn)場測量中，一般把超聲波流量計安 裝在噪聲元件的上游，盡量降低噪聲對測量結(jié)果的 影響。