超聲波流量計由超聲波換能器、電子轉(zhuǎn)換線路、流量顯示累積系統(tǒng)三個部分組成。超聲波換能器采用鑄鐵酸鉛壓電元件制作，利用壓電效應(yīng)發(fā)射和接收聲波，通過檢測流體對超聲束(或超聲脈沖)的影響來測量流體體積流量。
超聲波流量計的原理：傳遞的聲訊號穿過管道內(nèi)流動的介質(zhì)時，其傳遞速度受介質(zhì)流動速度的影響。
聲訊號在兩個傳感器之間的傳遞時間取決于管道內(nèi)介質(zhì)的流速。一個聲訊號通過上游的時間要比它通過下游的時間長。這個時間差值dt與管道內(nèi)介質(zhì)的流速vf成比例。如圖1所示。
V：介質(zhì)流速；θ：聲速與液體流動方向的夾角；
M：聲束在液體的直線傳播次數(shù)；
D：管道內(nèi)徑；Tup：聲束在順流時的傳播時間；
Tdown：聲束在逆流時的傳播時間；△T=Tup-Tdown。
當(dāng)超聲波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，其傳播時間的變化正比于液體的流速，零流量時，兩個傳感器發(fā)射和接收聲波所需的時間完全相同（唯一可實(shí)際測量零流量的技術(shù)）；介質(zhì)流動時，逆流方向的聲波傳輸時間大于順流方向的聲波傳輸時間。其關(guān)系符合上述表達(dá)式。
目前所使用的超聲波流量計系統(tǒng)主要有以下兩種工作原理：
1.1 速度法：
管道內(nèi)介質(zhì)流速vf按以下公式求得：
vf=(L/2cosβ)[dt/(t1 t2)] (1)
式中：t1，t2分別代表聲訊號通過上游與下游時間；
dt為聲訊號通過上游與下游的時間差；
L為聲訊號通過路徑長度；
β為代表管軸線與L之間角度。
1.2 環(huán)鳴系統(tǒng)法( Sing2around System)
如果在兩個不同的方向上比較兩條脈沖鏈的頻率差，這個脈沖差與流體速度也成比例。
這是流速的基頻表示法,與流體中的聲速無關(guān)。
以上兩種對流體流速的算法的理論基礎(chǔ)是相同的，其流體流速vf的理論值也是基本相同的。利用不同的二次儀表設(shè)置不同的流量系數(shù)均可顯示其容積流量。
性能特點(diǎn)：
(1) 適用于各種管徑流量的高精度計量，其流量和管徑越大，精確度越高；
(2) 測量范圍(量程比)很寬，一般為1：40～1：160，最大能達(dá)到1：300；
(3) 重復(fù)性很高，能實(shí)現(xiàn)雙向流量計量；
(4) 流量計本體無壓力損失，可精確測量脈動流；
(5) 節(jié)能，可大大降低長輸管道增壓費(fèi)用；
(6) 不受沉積物或濕氣的影響，無可動部件；
(7) 所需上下游直管段較短(上游為10D，下游為3D)；
(8) 無磨損，示值無零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，偏移誤差??；
(9) 動態(tài)計量范圍寬；
(10) 不受渦流和流速剖面變化的影響；
(11) 不受壓力、溫度、分子量、氣體組分變化的影響；
(12) 不需要重復(fù)標(biāo)定。
流量計性能對比：
表1 為流量計性能對比表。
表1 流量計性能對比表
應(yīng)用：
1.計量流體體積流量
作為流量計使用時，其流量范圍是很寬的，可以雙向計量，對于黏度較高、甚至小流量的流體亦可計量。同時，它的維修費(fèi)用較低。它沒有機(jī)械零件處于管線之中，不受其他介質(zhì)影響，不需要調(diào)正和控制，也不需停產(chǎn)操作。但是超聲波流量計的精度依賴于介質(zhì)特性。其補(bǔ)償技術(shù)是必須的，為了簡化補(bǔ)償系數(shù)f，必須在管線上游保留10倍直徑的直管段和在下游保留5倍直徑的直管段。對于在一定安裝條件和流體特性條件下可確定一個實(shí)際的流量系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
2.泄漏檢測
在正常情況下輸送管道的入口流量應(yīng)完全等于該管道出口流量。如果不等，那么泄漏現(xiàn)象就一定存在。如果兩計量儀表之間的計量讀數(shù)改變并超過了額定精度，就可發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。計量儀表越精確，檢測泄漏量也越準(zhǔn)確。但是對于大口徑管道檢測時，由于有溫度和壓力的影響，其溫度和壓力變化的補(bǔ)償量也須考慮。如一個DN1000的管線，其溫度變化10℃，容積也相應(yīng)變化0.8%。一個DN1000，長100km的管線在0.1MPa壓力變化下能引起10m3的容積變化。鑒于這種情況，兩組流量計之間距離不得太長。其距離越短，越易檢測出泄漏情況 。
誤差分析：
1.噪聲影響
超聲波流量計可能會受附近超聲波噪聲源的不利影響。這種噪聲源包括減少可聽見噪聲的無噪聲閥、壓力調(diào)節(jié)器和管道的其他重要節(jié)流部件。流量計生產(chǎn)廠家正在積極地解決這個問題。計量站設(shè)計人員應(yīng)向生產(chǎn)廠家請求協(xié)助。現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明：最好找出流量計上游潛在的噪聲源，在流量計和噪聲源之間設(shè)置彎頭會有助于減輕額外的超聲波噪聲。
2.流體清潔度影響
超聲波傳送器表面的堆積物(壓縮機(jī)油、冷凝液等) 可能會使裝置不經(jīng)過流體傳送超聲波脈沖。這可能會引起所謂的超聲波路徑“脫落”，路徑“脫落”會增加計量誤差。在測量氣體流量時，氣流裝位置相同時，初始容積較大的空氣罐能更有效地控制水擊壓力的產(chǎn)生，也就是空氣罐越大越好。但在實(shí)際工程中，其大小要受經(jīng)濟(jì)，外觀等因素的約束?？諝夤薜娜萘客ǔＳ迷囁惴椒ù_定1。圖5為空氣罐的不同安裝位置對A 處壓力變化的影響。從圖5可以看出，空氣罐安裝在不同的位置對管道的壓力影響也不同。空氣罐安裝在B 處時，對A處發(fā)生的水擊控制不大，而且還有增強(qiáng)水擊的可能性，也就是其水擊壓力可能大于安裝空氣罐時的水擊壓力。
就管道系統(tǒng)終端閥門瞬時關(guān)閉的情況，在輸液管道上適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b容積一定的空氣罐能有效地控制水擊的發(fā)生?？諝夤薜某跏既莘e越大，越能有效控制水擊；空氣罐安裝在某些位置且罐的容積較小時，安裝空氣罐后的水擊壓力有時會大于不安裝空氣罐時的水擊壓力。
可選配傳感器：
一體式超聲波冷／熱量表：
一體式超聲波冷/熱量表避免了外縛式和插入式傳感器在安裝過程中由于人為和管道因素產(chǎn)生的誤差。具有精度高、量程比寬、無壓力損失、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。
分體式超聲波冷／熱量表：
固定分體式超聲波冷／熱量表廣泛應(yīng)用于供熱管網(wǎng)的在線計量。主機(jī)分為壁掛標(biāo)準(zhǔn)型、壁掛防爆型、盤裝型和本地顯示型，傳感器分為外縛式、插入式、管段式等。
傳感器：
插入式傳感器：
安裝時在被測管道上使用專用開孔工具打孔，將傳感器和被測介質(zhì)直接接觸測量，可帶壓不停產(chǎn)安裝。該款傳感器解決了外縛式傳感器在測量結(jié)垢較厚的管道時不易接收到信號及長時間測量信號衰減的問題，具有不停產(chǎn)安裝、免維護(hù)、與管徑無關(guān)、無壓力損失等特點(diǎn)。
管段式傳感器：
管段式傳感器是采用法蘭將管段傳感器與被測管路直接連接的一種測量方式，該傳感器解決了外縛式和插入式傳感器在安裝過程中由于人為或被測管道參數(shù)不準(zhǔn)確引起的誤差而造成測量精度下降的問題，具有測量精度高，穩(wěn)定性好、免維護(hù)等特點(diǎn)。
安裝工況要求：
安裝點(diǎn)選擇：
為保證測量精度和穩(wěn)定性，傳感器的安裝點(diǎn)要選擇在流場分布均勻的直管段部分。
安裝測試井的建筑施工要求：
注意事項(xiàng)：
在管道軸線水平位置±45°范圍內(nèi)安裝傳感器；
將主機(jī)殼體接地。
傳感器安裝位置應(yīng)避開法蘭、焊縫、變徑。
留足夠空間便于人能直立工作。
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