概述

　　管段式超聲波流量儀表^[3]是以“速度差法”為原理，測量圓管內(nèi)液體流量的儀表。它采用了先進(jìn)的多脈沖技術(shù)、信號數(shù)字化處理技術(shù)及糾錯技術(shù)，使流量儀表更能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境，計(jì)量更方便、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確。產(chǎn)品達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、給排水等領(lǐng)域。

產(chǎn)品特點(diǎn)

　　◆獨(dú)特的信號數(shù)字化處理技術(shù)，使儀表測量信號更穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、計(jì)量更準(zhǔn)確。
　　◆無機(jī)械傳動部件不容易損壞，免維護(hù)，壽命長。
　　◆電路更優(yōu)化、集成度高、功耗低、可靠性高。
　　◆智能化標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，人機(jī)界面友好、多種二次信號輸出，供您任意選擇。
　　◆管段式小管徑測流經(jīng)濟(jì)又方便，測量高達(dá)

管段式傳感器外型尺寸數(shù)

管段式傳感器外型尺寸

　　HST系列超聲波流量計(jì)采用的是時差法測量原理。它的高可靠性是積8年的制造經(jīng)驗(yàn)加上博采眾長，通過不斷完善提高得到的；是由于采用了新的諸如Philips、Tl、美國國家半導(dǎo)體公司的新型高性能集成元器件加上先進(jìn)的SMD貼裝器件生產(chǎn)線大規(guī)模生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)的。 40皮秒（40×10 秒）的時間分辨率，0.5%的線性度。 低電壓多脈沖原理，保證可靠運(yùn)行。 兩路0.1%的模擬輸入，接入溫度傳感器電流信號，即變成熱量計(jì)！ 實(shí)現(xiàn)中文顯示，軟件開放式設(shè)計(jì)，所有參數(shù)用戶皆可設(shè)定；硬件元件參數(shù)無關(guān)化設(shè)計(jì)，無需調(diào)整即能確保每一臺流量計(jì)具有完全相同的性能。 主機(jī)機(jī)型有：便攜式、壁掛式、標(biāo)準(zhǔn)盤裝式、手持式、一體式。 傳感器具有：方便安裝的外縛式、可靠工作的插入式、高可靠高的標(biāo)準(zhǔn)管段式、超高的標(biāo)準(zhǔn)型π管段式。

超聲波流量計(jì)的主要特點(diǎn)是：流體中不插入任何元件，對流速無影響，也沒有壓力損失；能用于任何液體，特別是具有高黏度、強(qiáng)腐蝕，非導(dǎo)電性等性能的液體的流量測量，也能測量氣體的流量；對于大口徑管道的流量測量，不會因管徑大而增加投資；量程比較寬，可達(dá)5：1；輸出與流量之間呈線性等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：當(dāng)被測液體中含有氣泡或有雜音時，將會影響測量，故要求變送器前后分別有10D和5D的直管段；此外，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

測量原理

　　當(dāng)超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間產(chǎn)生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，其關(guān)系符合下列表達(dá)式
　　其中
　　θ為聲束與液體流動方向的夾角
　　M 為聲束在液體的直線傳播次數(shù)
　　D 為管道內(nèi)徑
　　Tup 為聲束在正方向上的傳播時間
　　Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間
　　ΔT=Tup –Tdown
　　設(shè)靜止流體中的聲速為c，流體流動的速度為u，傳播距離為L，當(dāng)聲波與流體流動方向一致時（即順流方向），其傳播速度為c+u；反之，傳播速度為c-u.在相距為L的兩處分別放置兩組超聲波發(fā)生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2）。當(dāng)T1順方向，T2逆方向發(fā)射超聲波時，超聲波分別到達(dá)接收器R1和R2所需要的時間為t1和t2,則
　　t1=L/(c+u) t2=L/(c-u)
　　由于在工業(yè)管道中，流體的流速比聲速小的多，即c>>u,因此兩者的時間差為 ▽t=t2-t1=2Lu/cc 由此可知，當(dāng)聲波在流體中的傳播速度c已知時，只要測出時間差▽t即可求出流速u，進(jìn)而可求出流量Q。利用這個原理進(jìn)行流量測量的方法稱為時差法。此外還可用相差法、頻差法等。
　　相差法原理：如果超聲波發(fā)射器發(fā)射連續(xù)超聲脈沖或周期較長的脈沖列，則在順流和逆流發(fā)射時所接收到的信號之間便要產(chǎn)生相位差▽O,即▽O=w▽t=2wLu/cc
　　式中，w為超聲波角頻率。當(dāng)測得▽O時即可求出u,進(jìn)而求得流量Q。此法用測量相位差▽O代替了測量微小的時差▽t，有利于提高測量。但存在者聲速c對測量結(jié)果的影響。
　　頻差法原理：為了消除聲速c的影響，常采用頻差法。由前可知，上、下游接收器接受到的超聲波的頻率之差為▽f可用下式表示 ▽f＝[（c+u）/L]-[(c-u)/L]=2u/L
　　由此可知，只要測得▽f就可求得流量Q，并且此法與聲速無關(guān)。 超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、沒測量水位概況
　　目前水電站多采用浮子式液位計(jì)或投入式液位計(jì)來進(jìn)行水位測量。其缺點(diǎn)為：測量低，不可靠，經(jīng)常出現(xiàn)浮子卡死不動和傳感器堵塞導(dǎo)致測不準(zhǔn)；維護(hù)工作量大，安裝、調(diào)試不便，采集到的僅是模擬告警信號，不能直接進(jìn)入電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。對無人值班電廠不實(shí)用。
　　我們對攔污柵水位測量系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)對比，優(yōu)化得出后的方案設(shè)計(jì)，采用超聲波液位計(jì)對柵前、柵后水位進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)確監(jiān)測，超聲波液位計(jì)用PLC對采集量進(jìn)行處理。并且把實(shí)時水位和壓差數(shù)據(jù)送到中控室，超聲波液位計(jì)顯示和越限報警。超聲波液位計(jì)同時采用RS422/RS232接口，又把實(shí)時數(shù)據(jù)送到大壩集中控制室工控機(jī)，處理成計(jì)算機(jī)通信報文，終將采集量送到電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)。
　　該項(xiàng)目實(shí)施后不僅滿足欄污柵柵前、柵后水位及壓差的多點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測，及報警功能，而且結(jié)束了攔污柵測量系統(tǒng)獨(dú)立工作，無法與電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通訊的局面。實(shí)現(xiàn)與閘門系統(tǒng)的監(jiān)視功能、控制功能以及故障時ON-CALL尋呼系統(tǒng)功能的集成。滿足了無人值班電站的需要。該技術(shù)在云南省電力系統(tǒng)還是家。
　　二、超聲波液位計(jì)測量水位的原理以及安裝要求
　　超聲波液位計(jì)工作時，高頻脈沖聲波由換能器（探頭）發(fā)出，遇被測物體（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一換能器（探頭）接收，轉(zhuǎn)換成電信號。脈沖發(fā)送和接收之間的時間（聲波的運(yùn)動時間）與換能器到物體表面的距離成正比，聲波傳輸?shù)木嚯xS與聲速C和傳輸時間T之間的關(guān)系可以用公式表示：S=　CⅹT/2
　　例如：聲速C=344m/s，傳輸時間為50ms，即可算出傳輸?shù)木嚯x為17.2m，測定距離為8.6m。
　　三．可編程超聲波式攔污柵水位測量系統(tǒng)在田壩電站應(yīng)用產(chǎn)生的效果
　　用超聲波液位計(jì)測量大壩水位目前在國內(nèi)尚不普遍，技術(shù)上尚無經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。在這樣的情況下，我們充分利用PLC與超聲波液位計(jì)這一領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，按照總體規(guī)劃，長遠(yuǎn)考慮，到位，避免重復(fù)改造，重復(fù)投資的這一原則，對該項(xiàng)目進(jìn)行自行設(shè)計(jì)，全面順利地完成了這一課題。在該領(lǐng)域取得了較有價值的經(jīng)驗(yàn)。為目前我國國內(nèi)水電站實(shí)現(xiàn)對大壩水位監(jiān)測系統(tǒng)提供了一個可以借鑒的范例。

超聲波流量計(jì)原理

　　超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計(jì)。起聲波流量計(jì)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
　　非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計(jì)聯(lián)動可進(jìn)行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運(yùn)行因而是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)。
　　眾所周知，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因?yàn)橐话懔髁坑?jì)隨著測量管徑的增大會帶來制造和運(yùn)輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點(diǎn)，超聲波流量計(jì)均可避免。因?yàn)楦黝惓暡髁坑?jì)均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計(jì)隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計(jì)比相同功能其它類型流量計(jì)的功能價格比越優(yōu)越。被認(rèn)為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計(jì)可測雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計(jì)測量水輪機(jī)進(jìn)水量、汽輪機(jī)循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計(jì)方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。
　　另外，超聲測量儀表的流量測量準(zhǔn)確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點(diǎn)，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應(yīng)多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計(jì)的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計(jì)具有上述一些優(yōu)點(diǎn)因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量。
　　超聲波流量計(jì)目前所存在的缺點(diǎn)主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計(jì)的測量線路比一般流量計(jì)復(fù)雜。這是因?yàn)?，一般工業(yè)計(jì)量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m／s左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量也是10－3數(shù)量級．若要求測量流速的準(zhǔn)確度為1％，則對聲速的測量準(zhǔn)確度需為10-5～10-6數(shù)量級，因此必須有完善的測量線路才能實(shí)現(xiàn)，這也正是超聲波流量計(jì)只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實(shí)際應(yīng)用的原因。
　　超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算。這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測和顯示。
　　超聲波流量計(jì)常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。
　　超聲波流量計(jì)換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件故人聲楔中，構(gòu)成換能器整體(又稱探頭)。聲楔的材料不僅要求強(qiáng)度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機(jī)玻璃，因?yàn)樗该?，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。

超聲流量計(jì)的分類

　　●插入式超聲流量計(jì)：可不停產(chǎn)安裝和維護(hù)。采用陶瓷傳感器，使用我公司專用鉆孔裝置進(jìn)行不停產(chǎn)安裝。一般為單聲道測量，為了提高測量準(zhǔn)確度，可選擇三聲道。
　　●管段式超聲流量計(jì)：需切開管路安裝，但以后的維護(hù)可不停產(chǎn)?？蛇x擇單聲道或三聲道傳感器。
　　●外夾式超聲流量計(jì)：能夠完成固定和移動測量。采用專用耦合劑（室溫固化的硅橡膠或高溫長鏈聚合油脂）安裝，安裝時不損壞管路。
　　● 便攜式超聲流量計(jì)^[1]：便攜使用，內(nèi)置可充電鋰電池，適合移動測量，配接磁性傳感器。
　　● 手持式超聲流量計(jì)：體積小，重量輕，內(nèi)置可充電鋰電池，手持使用，配接磁性傳感器。
　　● 防爆型超聲流量計(jì)：用于爆炸性環(huán)境液體流量測量，為防爆兼本安型。即轉(zhuǎn)換器為防爆型，傳感器為本質(zhì)安全型。

超聲波流量計(jì)的安裝

　　時差式超聲波流量計(jì)是當(dāng)今世界上具競爭力的流量測量手段，其測量線高于1.0%。由于工業(yè)現(xiàn)場特別是管路周圍環(huán)境的多樣性，因此，怎樣根據(jù)特定的環(huán)境安裝調(diào)試超聲波流量計(jì)，就成了超聲波流量測量領(lǐng)域的一個重要課題，本規(guī)程詳解了超聲波流量計(jì)的安裝細(xì)節(jié)，從而進(jìn)一步完整體現(xiàn)了超聲波流量計(jì)的、可靠性和穩(wěn)定性的優(yōu)勢，大大降低日后的維護(hù)工作甚至免維護(hù)。

安裝規(guī)程細(xì)解

（一）詳細(xì)了解現(xiàn)場情況
　　超聲波流量計(jì)在安裝之前應(yīng)了解現(xiàn)場情況，包括：
　　1．安裝傳感器處距主機(jī)距離為多少；
　　2．管道材質(zhì)、管壁厚度及管徑；
　　3．管道年限；
　　4．流體類型、是否含有雜質(zhì)、氣泡以及是否滿管；
　　5．流體溫度；
　　6．安裝現(xiàn)場是否有干擾源（如變頻、強(qiáng)磁場等）；
　　7．主機(jī)安放處四季溫度；
　　8．使用的電源電壓是否穩(wěn)定；
　　9．是否需要遠(yuǎn)傳信號及種類；
　　根據(jù)以上提供的現(xiàn)場情況，廠家可針對現(xiàn)場情況進(jìn)行配置，必要情況下也可特制機(jī)型。
（二）選擇安裝位置
　　選擇安裝管段對測試影響很大，所選管段應(yīng)避開干擾和渦流這兩種對測量影響較大的情況，一般選擇管段應(yīng)滿足下列條件：
　　1、避免在水泵、大功率電臺、變頻，即有強(qiáng)磁場和震動干擾處安裝機(jī)器；
　　2、選擇管材應(yīng)均勻致密，易于超聲波傳輸?shù)墓芏危?br />　　3、要有足夠長的直管段，安裝點(diǎn)上游直管段必須要大于10D（注：D=直徑），下游要大于5D；
　　4、安裝點(diǎn)上游距水泵應(yīng)有30D距離；
　　5、流體應(yīng)充滿管道；
　　6、管道周圍要有足夠的空間便于現(xiàn)場人員操作，地下管道需做測試井，測試井如下：
（三）確定探頭安裝方式
　　超聲波流量計(jì)一般有兩種探頭安裝方式，即Z法和V法。
　　但是,當(dāng)D < 200mm而現(xiàn)場情況為下列條件之一者,也可采用Z法安裝：
　　1、當(dāng)被測量流體濁度高，用V法測量收不到信號或信號很弱時；
　　2、當(dāng)管道內(nèi)壁有襯里時；
　　3、當(dāng)管道使用年限太長且內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重時；
　　對于管道條件較好者，即使D稍大于200mm，為了提高測量，也可采用V法安裝。
（四）求得安裝距離，確定探頭位置
　　1、將管道參數(shù)輸入儀表，選擇探頭安裝方式，得出安裝距離；
　　2、在水平管道上，一般應(yīng)選擇管道的中部，避開頂部和底部（頂部可能含有氣泡、底部可能有沉淀）；
　　3、V法安裝：先確定一個點(diǎn)，按安裝距離在水平位置量出另一個點(diǎn)。
　　Z法安裝：先確定一個點(diǎn)，按安裝距離在水平位置量出另一個點(diǎn)，然后測出此點(diǎn)在管道另一側(cè)的對稱點(diǎn)。
（五）管道表面處理
　　確定探頭位置之后，在兩安裝點(diǎn)±100mm范圍內(nèi)，使用角磨砂輪機(jī)、銼、砂紙等工具將管道打磨至光亮平滑無蝕坑。
　　要求：光澤均勻，無起伏不平，手感光滑圓潤。需要特別注意，打磨點(diǎn)要求與原管道有同樣的弧度，切忌將安裝點(diǎn)打磨成平面，用酒精或汽油等將此范圍擦凈，以利于探頭粘接。
（六）探頭與儀表接線
（七）微調(diào)探頭位置
　　接完線后把探頭內(nèi)部用硅膠注滿，放置半小時，然后用硅膠和卡具把探頭固定到打磨好的管道上（注意探頭方向，引線端向外），然后觀察儀表的信號強(qiáng)度、良度與傳輸時間比，如發(fā)現(xiàn)不好，則細(xì)微調(diào)整探頭位置，直到儀表的信號達(dá)到規(guī)定的范圍之內(nèi)：
　?。ㄐ盘枏?qiáng)度：一般應(yīng)大于6.5，少數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場具體情況另定。）
　　（信號良度：低峰值一般為7～14，高峰值一般為25～80。）
　?。▊鬏敃r間比：在100±4范圍之內(nèi)，此值必須穩(wěn)定。）
（八）固定探頭
　　儀表信號調(diào)整好以后，用所配卡具將探頭固定好，注意不要使鋼絲繩傾斜，以免拉動探頭，使探頭移位，再用硅膠將探頭與管道接觸的四周封住。此膠凝固大約需一天時間，在未干之前必須注意探頭防水。（信號線的外屏蔽線必須可靠接地）。
　　超聲波流量計(jì)^[2]主要技術(shù)指標(biāo)：

　　安裝超聲波流量計(jì)可按照以下步驟操作：
　　一：觀察安裝現(xiàn)場管道是否滿足直管段前10D后5D以及離泵30D的距離。(D為管道內(nèi)直徑)
　　二：確認(rèn)管道內(nèi)流體介質(zhì)以及是否滿管。
　　三：確認(rèn)管道材質(zhì)以及壁厚(充分考慮到管道內(nèi)壁結(jié)垢厚度)
　　四：確認(rèn)管道使用年限，在使用10左右的管道，即使是碳鋼材質(zhì)，也采用插入式安裝。
　　五：前四步驟完成后可確認(rèn)使用何種傳感器安裝
　　六：開始向表體輸入?yún)?shù)以確定安裝距離。
　　七：非常重要：測量出安裝距離。
　　(1) 外夾式可選安裝傳感器大概距離，然后不斷調(diào)試活動傳感器以達(dá)到信號和傳輸比的匹配
　　(2) 插入使用專用工具測量管道上安裝點(diǎn)距離，這個距離很重要，它直接影響表的實(shí)際測量，所以進(jìn)行多次測量以求較高。
　　八：安裝傳感器——調(diào)試信號——做防水——歸整好信號電纜——清理現(xiàn)場線頭等廢棄物 ——安裝結(jié)束——驗(yàn)收簽字
　　圖紙分解如下

　　包括：測量流動通道６，被測量的流體通過其中流動；超聲波換能器８和９，分別設(shè)置在沿測量流動通道６彼此相對的上游端和下游端；上游孔眼１１和下游孔眼１２，用于使超聲波換能器８和９暴露于該測量流動通道６；流體抑制器１５，至少鄰近下游孔眼１２，用于減少被測量的流體流入孔眼１２；第二流體抑制器１６，被設(shè)置在測量流動通道６的上游端并相對于孔眼１１和１２，用于減少被測量的流體流入孔眼１１和１２；測量控制部件１９，用于測量超聲波換能器８和９之間的超聲波的傳播時間；及計(jì)算部件２０，用于根據(jù)該測量控制部件１９的信號計(jì)算流量。為下游孔眼１２設(shè)置的流體抑制器１５包括具有至少一個超聲波傳輸孔２２的孔眼密封部件２１。因此，有可能穩(wěn)定超聲波換能器之間的流體，以便增強(qiáng)超聲波的接收水平，從而提高測量和對流量測量的上限值，并減少對于超聲波換能器的驅(qū)動輸入。