近年來(lái)，超聲波流量測(cè)量技術(shù)得到了很大的發(fā)展，因其具有非接觸式測(cè)量、低壓損、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于石油化工等行業(yè)的流量計(jì)量，特別適用于大口徑管道、非導(dǎo)電性流量測(cè)量。本文主要介紹了超聲波流量測(cè)量原理及多聲道時(shí)差法超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

近年來(lái)，超聲波流量測(cè)量技術(shù)得到了很大的發(fā)展，因其具有非接觸式測(cè)量、低壓損、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于石油化工等行業(yè)。

1.超聲波流量測(cè)量原理

超聲波流量測(cè)量是一種利用超聲波在流體中的傳播特性來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量的方法，主要有 2 種：多普勒頻移法和傳播時(shí)間法。多普勒法是利用超聲波的頻率會(huì)隨著超聲波在流體中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生改變的特性，頻率的改變和流體的流速有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；傳播時(shí)間法是利用超聲波在流體中正向傳播和逆向傳播的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量的方法，此時(shí)間差與流體的流速基本上成正比的關(guān)系。本文提到的超聲波流量計(jì)所使用的方法為傳播時(shí)間法。

超聲波流量計(jì)是應(yīng)用一對(duì)超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)觀測(cè)超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體的流速，再通過(guò)流速來(lái)計(jì)算流量的一種間接測(cè)量方法  。如圖 1 所示。

其中：

L －傳播距離； D －管道內(nèi)直徑； θ －管道內(nèi)流體流動(dòng)方向與聲道夾角； V －瞬時(shí)流速； Q －體積流量；

Tup －超聲波逆流傳播時(shí)間； Tdonw －超聲波順流傳播時(shí)間； 。

2.多聲道超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)

超聲波流量計(jì)根據(jù)聲道數(shù)可分為單聲道聲波流量計(jì)和多聲道超聲波流量計(jì)。單聲道超聲波流量計(jì)是由 1 對(duì)超聲波換能器構(gòu)成，而多聲道超聲波流量計(jì)具有 2 對(duì)或者多于 2 對(duì)的超聲波換能器，通過(guò)精確地測(cè)量各聲道上超聲波沿水流順向與逆向傳播的時(shí)間差 , 計(jì)算出各聲道流速，并用加權(quán)積分的方法計(jì)算出流量。

超聲波換能器在管道上的位置分布影響著超聲波流量計(jì)的線性、精度和穩(wěn)定性。根據(jù)流體在管道內(nèi)部的流動(dòng)剖面圖可知，管道內(nèi)各點(diǎn)的流速是不同的，在管道中心線上的流速大，越靠近管壁流速減小，在靠近管壁內(nèi)側(cè)流速為零。因此，安裝在管道中心線上的換能器，如圖 2 中的單聲道所示，能快速地反映管道內(nèi)流體流速的變化，但是也容易受影響，導(dǎo)致流量測(cè)量不穩(wěn)定，精度低。如圖 2 中雙聲道的超聲波流量計(jì)，換能器對(duì)稱安裝在中心線兩側(cè)（弦向聲道），能夠減小干擾，提高穩(wěn)定性和精度，但是不能及時(shí)地反映流速變化。圖 2 中的三聲道安裝方式結(jié)合了單聲道和雙聲道的優(yōu)勢(shì)，不僅提高了流量測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，而且能夠快速反映出流場(chǎng)的變化。合理選擇超聲波流量計(jì)的通道數(shù)和換能器安裝位置是非常重要的。

多聲道超聲波流量計(jì)通過(guò)增加聲道數(shù)，可有效地消除流速分布不均勻產(chǎn)生的影響，提高超聲波流量計(jì)的精度和穩(wěn)定性，并可保證在有個(gè)別聲道損壞的情況下仍能夠進(jìn)行正常測(cè)量。多聲道超聲波流量計(jì)的聲道的數(shù)目與安裝位置，以及用來(lái)計(jì)算流量的數(shù)學(xué)公式取決于過(guò)流道的形狀、大小及所需的測(cè)量精度。

3.超聲波流量計(jì)的硬件組成

3 聲道超聲波流量計(jì)硬件框圖 , 如圖 3 所示，主要由微控制器 CPU、3 對(duì)超聲波換能器、電子開(kāi)關(guān)電路、超聲波發(fā)射電路、自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路、時(shí)間測(cè)量電路、人機(jī)接口、4 ～ 20mA 輸出、RS485 通訊等組成。

多聲道切換是多聲道超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)中的重要組成部分。如圖 3 所示，3 個(gè)聲道的切換和選擇由 CPU 控制電子開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)只能通 1 個(gè)聲道，采用循環(huán)的方式選通聲道。當(dāng)需要測(cè)量聲道 1 的流速時(shí)，微控制器 CPU 通過(guò)控制電子開(kāi)關(guān)選通聲道 1，斷開(kāi)聲道 2 和聲道 3；當(dāng)需要測(cè)量聲道 2 的聲速時(shí)，斷開(kāi)聲道 1 和聲道 3；當(dāng)需要測(cè)量聲道2 時(shí)，斷開(kāi)聲道 1 和聲道 2。

當(dāng)選擇好某一聲道后，要進(jìn)行順向時(shí)間和逆向時(shí)間測(cè)量，然后計(jì)算出順逆向傳播時(shí)間差。若選通聲道 1，順向傳播時(shí)間測(cè)量由發(fā)射電路發(fā)射出 1MHz 的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)后發(fā)射到超聲波換能器 A，超聲波換能器 A 把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)，換能器 B 接收到水中傳播的超聲波信號(hào)后再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于此電信號(hào)幅值很小，一般要經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路調(diào)整到合適的信號(hào)幅值后再送到時(shí)間測(cè)量電路。時(shí)間測(cè)量電路把測(cè)量到的正程傳播時(shí)間傳遞給 CPU，然后 CPU 控制測(cè)量逆程傳播時(shí)間。由此得到聲道 1 的正逆向傳播時(shí)間差。依次測(cè)量出聲道 2 和聲道 3 的正逆程傳播時(shí)間差，3 個(gè)聲道可以計(jì)算出 3 個(gè)流體速度。然后根據(jù)換能器結(jié)構(gòu)和安裝位置把這 3 個(gè)流體速度進(jìn)行加權(quán)積分，后得到流體流速。

人機(jī)接口包括顯示模塊和鍵盤(pán)，顯示模塊可顯示出流體瞬時(shí)流量、凈累積流量、正向累積流量、反向累積流量、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，并可顯示歷史數(shù)據(jù)及參數(shù)菜單。按鍵用于查看菜單項(xiàng)和修改儀表參數(shù)。

超聲波流量計(jì)作為過(guò)程儀表，一般需要連接到控制系統(tǒng)中，常用的輸出方式為 4 ～ 20mA 電流方式。電流連接方式有有源輸出和無(wú)源輸出 2 種。4mA 和 20mA 對(duì)應(yīng)流量值可以通過(guò)人機(jī)接口進(jìn)行設(shè)置，方便用戶使用。

RS485 總線也是流量?jī)x表常用的總線方式，RS485 只需要 2 根帶屏蔽雙絞線就可以很方便地接到系統(tǒng)中。系統(tǒng)通過(guò) MODBUS 命令可以讀取儀表信息或者設(shè)置儀表參數(shù)。

4.多聲道超聲波流量計(jì)的應(yīng)用及注意事項(xiàng)

多聲道超聲波流量計(jì)具有高精度和高可靠性，具有非接觸式測(cè)量、低壓損、測(cè)量范圍寬，始動(dòng)流量低等優(yōu)點(diǎn)?？蓽y(cè)量的介質(zhì)包括水、廢水、油類等均勻穩(wěn)定液體，應(yīng)用領(lǐng)域包括給水排水、石油化工、供暖發(fā)電、造紙冶金、食品醫(yī)藥等諸多行業(yè)，能滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)液體流量的準(zhǔn)確測(cè)量與監(jiān)控的需求。

超聲波流量計(jì)的種類很多，按聲道分有單聲道、多聲道；按供電方式分有交流供電型、直流供電型、電池供電型；按防護(hù)等級(jí)分有 IP68、IP67、IP65 等；按結(jié)構(gòu)分有管段式、外夾式和插入式；按轉(zhuǎn)換器類型可分為一體型和分體型。因此，超聲波流量計(jì)型號(hào)的選擇要根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況選擇性價(jià)比合適的超聲波流量計(jì)。為了使超聲波流量計(jì)能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，在選擇安裝地點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的要求：

1）盡量避開(kāi)變頻器設(shè)備，以免變頻器設(shè)備影響超聲波流量計(jì)的回波信號(hào)從而造成流量測(cè)量不穩(wěn)定。

2）為了保證流量計(jì)流量測(cè)量的精度，要求在流量傳感器之前安裝 10D 長(zhǎng)度的直管段、在流量傳感器之后安裝 5D 長(zhǎng)度的直管段。在有閥門(mén)或泵的管道上安裝超聲波流量計(jì)時(shí)，為保證測(cè)量的穩(wěn)定性應(yīng)確保前后設(shè)置一定長(zhǎng)度的直管段。如做不到則應(yīng)采用穩(wěn)流器或者減小測(cè)量點(diǎn)的面積。

3）超聲波傳感器內(nèi)要*充滿液體，液體中固體含量 <5%, 氣體含量 <2%。如管道存在非滿管或是出口有放空狀態(tài)，傳感器應(yīng)安裝在 1 根虹吸管上。

4）流量計(jì)應(yīng)盡量安裝在管道的低處，以避免在流量計(jì)處聚集氣泡造成其無(wú)法測(cè)量。

5）傳感器不能安裝在泵的進(jìn)水口。為避免負(fù)壓，傳感器不能安裝在泵的進(jìn)水口處，而應(yīng)安裝在泵的出水口。

5.結(jié)論

多聲道超聲波流量計(jì)能有效地提高流量測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，具有非接觸式測(cè)量、低壓損、測(cè)量范圍寬、始動(dòng)流量低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。由于通道數(shù)量的增加，可保證在單個(gè)換能器損壞的情況下仍能正常測(cè)量。多聲道超聲波流量計(jì)是超聲波流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。