超聲波流量計

超聲波流量計概述：

管段式超聲波流量儀表[3]是以“速度差法”為原理，測量圓管內液體流量的儀表。它采用了先進的多脈沖技術、信號數字化解決技術及糾錯技術，使流量儀表更能適應工業(yè)現場的環(huán)境，計量更方便、經濟、精確。產品達成國內外先進水平，可廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、給排水等領域。

產品特點：

◆獨特的信號數字化解決技術，使儀表測量信號更穩(wěn)定、抗干擾能力強、計量更精確。

◆無機械傳動部件不容易損壞，免維護，壽命長。

◆電路更優(yōu)化、集成度高、功耗低、可靠性高。

◆智能化原則信號輸出，人機界面和諧、多個二次信號輸出，供您任意選擇。

◆管段式小管徑測流經濟又方便，測量精度高達0.5級。

性能參數：

性能參數測量液體充滿被測管道的水、污水及其它均質液體，懸浮物含量不大于10g/L，粒徑不大于1mm。精確度±1.0%流速范疇±0.01m/s~±12.0m/s管徑范疇DN300mm~DNmm傳感器材質鋼或不銹鋼傳感器承壓能力管徑300~600mm，壓力不超出2MPa；管徑700~mm，壓力不超出1MPa轉換器環(huán)境溫度：-10℃~+45℃；濕度≤85%(RH)(特殊環(huán)境訂貨時闡明)壁掛式盤裝式一體式防護等級IP65IP51IP65傳感器防護等級：IP68常溫型高溫型低溫型工作溫度0~50℃0~150℃-20~0℃電纜采用雙芯帶屏蔽高頻電纜，工作溫度-40~+70℃信號輸出模擬量：4~20mA或0~20mA或0~10mA軟件可選；負載能力不大于600Ω開關量：累計流量脈沖輸出，閉合3ms，周期6ms，傳輸距離不大于500m串行口：RS-485，傳輸速率4800bit/s,傳輸距離不大于1200m鍵盤1×3按鍵顯示屏2×16位背光液晶字符顯示屏顯示內容同屏顯示瞬時流量：-99999.99~+99999.99m3/h

累計流量：-19999999.99~+19999999.99m3，鍵控顯示累計運行時間數據存儲累計流量、累計運行時間及各項設立參數，掉電后數據可保存1工作電源AC220V±15%，50Hz功率<10W(DC5~36V、1A，定貨時提出)電纜長度傳感器到轉換器的布線距離，10m、20m、30m……300m可選

管段式傳感器外型尺寸：

內徑（mm）

DN安裝長度（mm）

L法蘭尺寸（mm）重量

（Kg）額定壓力

（MPa）DDoN×A300412485432.012×2679.11.6350447535476.012×3088.9400481600540.016×30102450516635578.016×33114500552700635.020×33148600621815749.520×3621270069291585024×363361.0800759104697024×4050010008941288120028×44821120010301522143432×441303140011641778167032×481914160012981982187436×482442180014322236211436×52341115662446232440×524262

ZR系列超聲波流量計采用的是時差法測量原理。它的高可靠性是積8年的制造經驗加上博采眾長，通過不停完善提高得到的；是由于采用了最新的諸如Philips、Tl、美國國家半導體公司的新型高性能集成元器件加上先進的SMD貼裝器件生產線大規(guī)模生產實現的。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，確?？煽窟\行。兩路0.1%精度的模擬輸入，接入溫度傳感器電流信號，即變成熱量計！實現中文顯示，軟件開放式設計，全部參數顧客皆可設定；硬件元件參數無關化設計，無需調節(jié)即能確保每一臺流量計含有完全相似的性能。主機機型有：便攜式、壁掛式、原則盤裝式、手持式、一體式。傳感器含有：方便安裝的外縛式、可靠工作的插入式、高可靠高精度的原則管段式、超高精度的原則型π管段式。

超聲波流量計的重要特點是：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，特別是含有高黏度、強腐蝕，非導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5：1；輸出與流量之間呈線性等優(yōu)點。缺點：當被測液體中含有氣泡或有雜音時，將會影響測量精度，故規(guī)定變送器前后分別有10D和5D的直管段；另外，構造復雜，成本較高。

測量原理

當超聲波束在液體中傳輸時，液體的流動將使傳輸時間產生微小變化，并且其傳輸時間的變化正比于液體的流速，其關系符合下列體現式

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輸次數

D為管道內徑

Tup為聲束在正方向上的傳輸時間

Tdown為聲束在逆方向上的傳輸時間

ΔT=Tup–Tdown

設靜止流體中的聲速為c，流體流動的速度為u，傳輸距離為L，當聲波與流體流動方向一致時（即順流方向），其傳輸速度為c+u；反之，傳輸速度為c-u.在相距為L的兩處分別放置兩組超聲波發(fā)生器和接受器（T1,R1）和（T2,R2）。當T1順方向，T2逆方向發(fā)射超聲波時，超聲波分別達成接受器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，當聲波在流體中的傳輸速度c已知時，只要測出時間差▽t即可求出流速u，進而可求出流量Q。運用這個原理進行流量測量的辦法稱為時差法。另外還可用相差法、頻差法等。

相差法原理：如果超聲波發(fā)射器發(fā)射持續(xù)超聲脈沖或周期較長的脈沖列，則在順流和逆流發(fā)射時所接受到的信號之間便要產生相位差▽O,即▽O=w▽t=2wLu/cc

式中，w為超聲波角頻率。當測得▽O時即可求出u,進而求得流量Q。此法用測量相位差▽O替代了測量微小的時差▽t，有助于提高測量精度。但存在者聲速c對測量成果的影響。

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、下游接受器接受到的超聲波的頻率之差為▽f可用下式表達▽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。超聲波技術及其應用一、沒測量水位概況

現在水電站多采用浮子式液位計或投入式液位計來進行水位測量。其缺點為：測量精度低，不可靠，經常出現浮子卡死不動和傳感器堵塞造成測不準；維護工作量大，安裝、調試不便，采集到的僅是模擬告警信號，不能直接進入電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)。對無人值班電廠不實用。

我們對攔污柵水位測量系統(tǒng)進行了重復對比，優(yōu)化得出最后的方案設計，采用超聲波液位計對柵前、柵后水位進行實時精確監(jiān)測，超聲波液位計用PLC對采集量進行解決。并且把實時水位和壓差數據送到中控室，超聲波液位計顯示和越限報警。超聲波液位計同時采用RS422/RS232接口，又把實時數據送到大壩集中控制室工控機，解決成計算機通信報文，最后將采集量送到電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機。

該項目實施后不僅滿足欄污柵柵前、柵后水位及壓差的多點實時監(jiān)測，及報警功效，并且結束了攔污柵測量系統(tǒng)獨立工作，無法與電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)通訊的局面。實現與閘門系統(tǒng)的監(jiān)視功效、控制功效以及故障時ON-CALL尋呼系統(tǒng)功效的集成。滿足了無人值班電站的需要。該技術在云南省電力系統(tǒng)還是第一家。

二、超聲波液位計測量水位的原理以及安裝規(guī)定

超聲波液位計工作時，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）接受，轉換成電信號。脈沖發(fā)送和接受之間的時間（聲波的運動時間）與換能器到物體表面的距離成正比，聲波傳輸的距離S與聲速C和傳輸時間T之間的關系能夠用公式表達：S=CⅹT/2

例如：聲速C=344m/s，傳輸時間為50ms，即可算出傳輸的距離為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)在田壩電站應用產生的效果

用超聲波液位計測量大壩水位現在在國內尚不普遍，技術上尚無經驗能夠借鑒。在這樣的狀況下，我們充足運用PLC與超聲波液位計這一領域的先進技術，按照總體規(guī)劃，久遠考慮，一次到位，避免重復改造，重復投資的這一原則，對該項目進行自行設計，全方面順利地完畢了這一課題。在該領域獲得了較有價值的經驗。為現在我國國內水電站實現對大壩水位監(jiān)測系統(tǒng)提供了一種能夠借鑒的范例。

超聲波流量計原理

超聲波在流動的流體中傳輸時就載上流體流速的信息。因此通過接受到的超聲波就能夠檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據檢測的方式，可分為傳輸速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及有關法等不同類型的超聲波流量計。起聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術快速發(fā)展才開始應用的一種

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。它與水位計聯(lián)動可進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變化流體的流動狀態(tài)，不產生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產管線運行因而是一種抱負的節(jié)能型流量計。

眾所周知，現在的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是由于普通流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點，超聲波流量計均可避免。由于各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相似功效其它類型流量計的功效價格比越優(yōu)越。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質的流量，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測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的合用范疇從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可合用。

另外，超聲測量儀表的流量測量精確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響，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腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應多個管徑測量和多個流量范疇測量。超聲波流量計的適應能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計含有上述某些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產品系列化、通用化發(fā)展，現已制成不同聲道的原則型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應不同介質，不同場合和不同管道條件的流量測量。

超聲波流量計現在所存在的缺點重要是可測流體的溫度范疇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據不全。現在我國只能用于測量200℃下列的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比普通流量計復雜。這是由于，普通工業(yè)計量中液體的流速經常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳輸速度約為1500m／s左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10－3數量級．若規(guī)定測量流速的精確度為1％，則對聲速的測量精確度需為10-5～10-6數量級，因此必須有完善的測量線路才干實現，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術快速發(fā)展的前題下才干得到實際應用的因素。

超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分構成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接受器接受到的超聲波信號，經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號供應顯示和積算儀表進行顯示和積算。這樣就實現了流量的檢測和顯示。

超聲波流量計慣用壓電換能器。它運用壓電材料的壓電效應，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，使其產生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳輸，然后由接受換能器接受，并經壓電元件變?yōu)殡娔?，方便檢測。發(fā)射換能器運用壓電元件的逆壓電效應，而接受換能器則是運用壓電效應。

超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超出厚度的10倍，以確保振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以適宜的角度射入到流體中，需把元件故人聲楔中，構成換能器整體(又稱探頭)。聲楔的材料不僅規(guī)定強度高、耐老化，并且規(guī)定超聲波經聲楔后能量損失小即透射系數靠近1。慣用的聲楔材料是有機玻璃，由于它透明，能夠觀察到聲楔中壓電元件的組裝狀況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。

超聲流量計的分類

●插入式超聲流量計：可不停產安裝和維護。采用陶瓷傳感器，使用我公司專用鉆孔裝置進行不停產安裝。普通為單聲道測量，為了提高測量精確度，可選擇三聲道。

●管段式超聲流量計：需切開管路安裝，但后來的維護可不停產?？蛇x擇單聲道或三聲道傳感器。

●外夾式超聲流量計：能夠完畢固定和移動測量。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[1]：便攜使用，內置可充電鋰電池，適合移動測量，配接磁性傳感器。

●手持式超聲流量計：體積小，重量輕，內置可充電鋰電池，手持使用，配接磁性傳感器。

●防爆型超聲流量計：用于爆炸性環(huán)境液體流量測量，為防爆兼本安型。即轉換器為防爆型，傳感器為本質安全型。[編輯本段]超聲波流量計的安裝時差式超聲波流量計是當今世界上具競爭力的流量測量手段，其測量線精度高于1.0%。由于工業(yè)現場特別是管路周邊環(huán)境的多樣性，因此，如何根據特定的環(huán)境安裝調試超聲波流量計，就成了超聲波流量測量領域的一種重要課題，本規(guī)程詳解了超聲波流量計的安裝細節(jié)，從而進一步完整體現了超聲波流量計的精度、可靠性和穩(wěn)定性的優(yōu)勢，大大減少后來的維護工作甚至免維護。

安裝規(guī)程細解

（一）具體理解現場狀況

超聲波流量計在安裝之前應理解現場狀況，涉及：

1．安裝傳感器處距主機距離為多少；

2．管道材質、管壁厚度及管徑；

3．管道年限；

4．流體類型、與否含有雜質、氣泡以及與否滿管；

5．流體溫度；

6．安裝現場與否有干擾源（如變頻、強磁場等）；

7．主機安放處四季溫度；

8．使用的電源電壓與否穩(wěn)定；

9．與否需要遠傳信號及種類；

根據以上提供的現場狀況，廠家可針對現場狀況進行配備，必要狀況下也可特制機型。

（二）選擇安裝位置

選擇安裝管段對測試精度影響很大，所選管段應避開干擾和渦流這兩種對測量精度影響較大的狀況，普通選擇管段應滿足下列條件：

1、避免在水泵、大功率電臺、變頻，即有強磁場和震動干擾處安裝機器；

2、選擇管材應均勻致密，易于超聲波傳輸的管段；

3、要有足夠長的直管段，安裝點上游直管段必須要不不大于10D（注：D=直徑），下游要不不大于5D；

4、安裝點上游距水泵應有30D距離；

5、流體應充滿管道；

6、管道周邊要有足夠的空間便于現場人員操作，地下管道需做測試井，測試井以下：

（三）擬定探頭安裝方式

超聲波流量計普通有兩種探頭安裝方式，即Z法和V法。

但是,當D<200mm而現場狀況為下列條件之一者,也可采用Z法安裝：

1、當被測量流體濁度高，用V法測量收不到信號或信號很弱時；

2、當管道內壁有襯里時；

3、當管道使用年限太長且內壁結垢嚴重時；

對于管道條件較好者，即使D稍不不大于200mm，為了提高測量精度，也可采用V法安裝。

（四）求得安裝距離，擬定探頭位置

1、將管道參數輸入儀表，選擇探頭安裝方式，得出安裝距離；

2、在水平管道上，普通應選擇管道的中部，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：先擬定一種點，按安裝距離在水平位置量出另一種點。

Z法安裝：先擬定一種點，按安裝距離在水平位置量出另一種點，然后測出此點在管道另一側的對稱點。

（五）管道表面解決

擬定探頭位置之后，在兩安裝點±100mm范疇內，使用角磨砂輪機、銼、砂紙等工具將管道打磨至光亮平滑無蝕坑。

規(guī)定：光澤均勻，無起伏不平，手感光滑圓潤。需要特別注意，打磨點規(guī)定與原管道有同樣的弧度，切忌將安裝點打磨成平面，用酒精或汽油等將此范疇擦凈，以利于探頭粘接。

（六）探頭與儀表接線

（七）微調探頭位置

接完線后把探頭內部用硅膠注滿，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度、良度與傳輸時間比，如發(fā)現不好，則細微調節(jié)探頭位置，直到儀表的信號達成規(guī)定的范疇之內：

（信號強度：普通應不不大于6.5，少數可根據現場具體狀況另定。）

（信號良度：低峰值普通為7～14，高峰值普通為25～80。）

（傳輸時間比：在100±4范疇之內，此值必須穩(wěn)定。）

（八）固定探頭

儀表信號調節(jié)好后來，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。此膠凝固大概需一天時間，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[2]重要技術指標：

插入式超聲波流量計管段式超聲波流量計外加式超聲波流量計管徑范疇(mm)DN80-4000DN20-DN20-4000流速范疇（m/s）0.01～12精確度（%）單聲道雙聲道三聲道單聲道雙聲道三聲道1.51.01.00.51.0（校正0.5）0.50.5測量介質飲用水、河水、海水、地下水、冷卻水、高溫水、污水、潤滑油、柴油、燃油、化工液體、其它均質流體管道材質金屬（如碳鋼、鑄鐵、不銹鋼、鋁等）非金屬材質（如PVC,有機玻璃等）管襯材質玻璃鋼、沙漿、橡膠等信號輸出1、4-20mA：阻抗不大于800Ω，光電隔離，精確度0.1%。

2、累計脈沖輸出：光電隔離，無源開路輸出，傳輸距離不大于500m。

3、RS-485:光電隔離，波特率可選擇，傳輸距離不不大于1.6Km.

4、打印機：RS-232串口模式。打印機為選配件。

5、M-BUS.鍵盤2×8中文鍵盤顯示屏2×10中文顯示或英文顯示測量功效顯示瞬時流量、瞬時流速、正累計流量、負累計流量、凈累計流量、累計運行時間、瞬時供熱量、累計共熱量、斷電時間等。數據存貯可存貯前720小時，前365天，前36個月和前十年的測量數據，涉及瞬時流量、累計流量、斷電時間等。環(huán)境溫度轉換器：-10～45℃（特殊環(huán)境請闡明）

傳感器：-40～+60℃（常溫型）

-40～+160℃(高溫型)傳感器材質不銹鋼和陶瓷不銹鋼和普通碳鋼常溫型為尼龍高溫型為合金鋁傳感器承壓能力管內部分壓力不大于4.5MPaDN20～700mm不大于2.5MPa

DN800～mm不大于1.6MPa與管道內壓力無關建議不浸水工作傳感器防護等級IP68轉換器防護等級壁掛式轉換器：IP65盤裝式轉換器：IP52一體式轉換器：IP67防爆等級EXdⅡBT6傳感器電纜長度<500m<500m<300m傳感器電纜型號專用電纜SEYV-75-2(直徑7mm)，越短越好，減少干擾，也能夠加長到300m若長要加粗電纜工作電源AC220V,DC12～36V0.8A(可選)轉換器外形尺寸壁掛式：213×185×107mm盤裝式：160×80×250mm一體式：185×140×100mm傳感器外形尺寸220×ø20(桿部)