摘要: 超聲波流量計(jì)在工業(yè)上具有廣泛應(yīng)用，具有適合大口徑測(cè)量、安裝維修方便、通用性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。文章介紹了超聲波流量計(jì)硬件組成，分析了超聲波流量計(jì)的工作原理和傳感器的幾種安裝方式，闡述了超聲波流量計(jì)在選型、安裝、調(diào)試過程中的注意事項(xiàng)。

在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，流量是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。流量測(cè)量通過流量計(jì)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)測(cè)量原理，流量計(jì)可分為質(zhì)量流量計(jì)、節(jié)流式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等類別。其中，在測(cè)量大口徑管線介質(zhì)流量時(shí)，超聲波流量計(jì)的應(yīng)用最為廣泛。在中國石油錦州石化公司，新水、循環(huán)水流量大多使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。這種流量計(jì)安裝維修方便、通用性強(qiáng)，在生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、節(jié)能降耗管理中具有廣泛應(yīng)用。

1 超聲波流量計(jì)的工作原理
1. 1 硬件組成
通常超聲波流量計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)由傳感器 ( 換能器) 和變送器 ( 流量顯示累積系統(tǒng)) 2 部分組成。傳感器為鑄鐵酸鉛壓電元件，利用壓電效應(yīng)，通過傳感器發(fā)射并接收聲波。介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，對(duì)聲波產(chǎn)生影響，通過檢測(cè)產(chǎn)生的影響情況，計(jì)算出流量大小。

按照傳感器的安裝方式，常見的超聲波流量計(jì)可分為插入式、外夾式和便攜式 3 種類型。插入式超聲流量計(jì)采用陶瓷傳感器，使用專用鉆孔裝置進(jìn)行不停產(chǎn)安裝，一般為單聲道測(cè)量。外夾式超聲流量計(jì)采用專用耦合劑安裝，安裝時(shí)不損壞管路，能夠完成固定和移動(dòng)測(cè)量。便攜式超聲波流量計(jì)便攜使用，內(nèi)置可充電鋰電池，配接磁性傳感器，適合移動(dòng)測(cè)量，常用來進(jìn)行流量標(biāo)定。

1. 2 測(cè)量基本原理
超聲波流量計(jì)的傳感器有 2 只，在工作時(shí)，2只傳感器互相發(fā)射、接收超聲波信號(hào)。通過數(shù)字處理技術(shù)以及時(shí)差探測(cè)法，測(cè)量出流體流速對(duì)超聲波信號(hào)傳輸時(shí)間產(chǎn)生的影響，如圖 1 所示。 我們將上游傳感器探頭 T1 發(fā)射的超聲波信號(hào)被下游傳感器探頭 T2 接收的時(shí)間記為 t1，將下游傳感器探頭 T2 發(fā)射的超聲波信號(hào)被上游傳感器探頭 T1 接收的時(shí)間記為 t2。當(dāng)管線介質(zhì)靜止時(shí)，t2 － t1 = 0。當(dāng)管線介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，流體流速對(duì)超聲波信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響，導(dǎo)致上游到下游的超聲波
信號(hào)傳輸速度加快，下游到上游的超聲波信號(hào)傳輸速度減慢，即 t2 － t1 = Δt。通過兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差計(jì)算得到流體流速，再乘以管線橫截面積，即計(jì)算得出流體的體積流量［1］。流體流速的基本計(jì)算公式為: 式中: v 為流速; k 為標(biāo)定系數(shù); Δt 為上下游傳感器信號(hào)接收的時(shí)間差; t 為測(cè)量得出的超聲波穿過流體的平均時(shí)間。

1. 3 安裝與調(diào)試
Z 法安裝即單行程測(cè)量，指聲波只經(jīng)過一個(gè)聲程就已完成測(cè)量，可以獲得較強(qiáng)的信號(hào)，如圖 2所示。 1. 3. 1 Z 法安裝
1. 3. 2 V 法安裝
V 法安裝即雙行程測(cè)量，是指兩只傳感器同向安裝，聲波經(jīng)對(duì)側(cè)管道反射后接收，共有 2 個(gè)聲程，如圖 3 所示。 1. 3. 3 W 法安裝
W 法安裝即多行程測(cè)量，泛指經(jīng)過 3 個(gè)或 3個(gè)以上聲程的測(cè)量方法，優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較高的測(cè)量精度，缺點(diǎn)是信號(hào)較弱，只適用于管道條件較好的情況，如圖 4 所示。 2 超聲波流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)
2. 1 安裝維護(hù)方便
超聲波流量計(jì)傳感器直接安裝在工藝管線外壁上，不需要法蘭、縮徑、副線等，對(duì)管線內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)不產(chǎn)生任何影響，方便安裝、調(diào)試、拆卸，方便日常維護(hù)。

2. 2 通用性能較好
由于超聲波流量計(jì)安裝不需要打開工藝管線，故同一臺(tái)超聲波流量計(jì)可以安裝在不同管徑的工藝管線上，具有較好的通用性［2］。

2. 3 測(cè)量范圍較大
從測(cè)量口徑方面，需要打開管線安裝的流量計(jì)，口徑通常在 DN500 以下，而超聲波流量計(jì)可測(cè)量 DN2000 管線內(nèi)的流體流量; 從量程方面，超聲波流量計(jì)的測(cè)量范圍 廣，優(yōu)于其他類型的流量計(jì)。

2. 4 應(yīng)用范圍廣泛
超聲波流量計(jì)傳感器不直接接觸工藝介質(zhì)［3］，所以對(duì)于強(qiáng)腐蝕性、有毒有害、非導(dǎo)電介質(zhì)等，超聲波流量計(jì)同樣適合。

3 超聲波流量計(jì)的安裝與調(diào)試
3. 1 超聲波流量計(jì)的安裝條件
根據(jù)超聲波流量計(jì)的工作原理，可以看出，電磁干擾和渦流對(duì)測(cè)量精度有很大影響。故此，安裝時(shí)應(yīng)避免這兩項(xiàng)干擾。通常安裝位置應(yīng)具備以下條件。
( 1) 直管段充分，安裝位置上游直管段大于10D，下游直管段大于 5D［4］。
( 2) 安裝位置距上游水泵距離大于 30D。
( 3) 流量計(jì)傳感器、變送器、連接電纜等各部分應(yīng)遠(yuǎn)離水泵等具有強(qiáng)磁場和強(qiáng)振動(dòng)的機(jī)器設(shè)備［5］。
( 4) 傳感器安裝位置的管壁薄厚均勻、材質(zhì)致密，便于超聲信號(hào)傳播。
( 5) 確保流體充滿管道，避免出現(xiàn)氣泡、雜質(zhì)。在豎直管道安裝時(shí)，選擇流體自下而上流動(dòng)的管道。
( 6) 便于人員操作、檢修、維護(hù)。

3. 2 超聲波流量計(jì)的調(diào)試
流量計(jì)安裝到位后，在正式啟動(dòng)之前，要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括安裝方式、管道直徑、管道壁厚、管道材料、介質(zhì)類型、探頭間距、測(cè)量量程、計(jì)量單位等。遠(yuǎn)傳至 DCS 的超聲波流量計(jì)，還要進(jìn)行信號(hào)聯(lián)校，確保流量數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確傳輸?shù)?DCS。超聲波流量計(jì)要定期進(jìn)行檢查，檢查傳感器與管線的連接是否緊密，檢查流量測(cè)量信號(hào)是否穩(wěn)定。條件具備時(shí)，可使用便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量管線介質(zhì)流量，與固定式超聲波流量計(jì)流量進(jìn)行比 對(duì)，檢驗(yàn)固定式超聲波流量計(jì)計(jì)量是否準(zhǔn)確。

4 常見故障原因分析與處理
同其他工業(yè)設(shè)備一樣，超聲波流量計(jì)運(yùn)行較長時(shí)間后，難免會(huì)出現(xiàn)一些問題，對(duì)準(zhǔn)確計(jì)量造成影響。這時(shí)，我們就要根據(jù)不同的故障現(xiàn)象，分析問題原因，及時(shí)調(diào)試、檢修。

4. 1 沒有檢測(cè)信號(hào)
檢查傳感器探頭與管道是否出現(xiàn)連接不緊密的情況，在工藝上考慮是否管線內(nèi)壁結(jié)垢太厚影響信號(hào)傳輸。

當(dāng)傳感器探頭與管道連接不夠緊密時(shí)，要確保管道表面干凈，無銹跡，無油漆，使用充足的耦合劑連接探頭與管道，保證沒有氣泡、連接緊
密。當(dāng)管線內(nèi)壁結(jié)垢時(shí)，在無法清除結(jié)垢的情況下，可以在滿足安裝條件的前提下更換測(cè)試點(diǎn)，使其滿足測(cè)量需要。

4. 2 接收信號(hào)強(qiáng)度低
檢查直管段距離是否足夠，檢查附近是否有變頻器干擾，檢查傳感器與變送器的連接線是否過長。

若直管段距離不夠，需重新選取恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量點(diǎn); 若附近有變頻器干擾，需重新規(guī)劃流量計(jì)和變頻設(shè)備的安裝位置，避免流量計(jì)受到影響; 若傳感器與變送器的連接線過長，也可能會(huì)造成信號(hào)衰竭，應(yīng)對(duì)連接線進(jìn)行屏蔽。

5 結(jié)束語
在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，特別是在大口徑、高壓力、介質(zhì)穩(wěn)定的管線中，超聲波流量計(jì)有著其他類型流量計(jì)所沒有的優(yōu)勢(shì)。此外，超聲波流量計(jì)日常維護(hù)所投入的費(fèi)用并不昂貴［6］，可謂大口徑計(jì)量的首選計(jì)量設(shè)備。隨著超聲波流量計(jì)的不斷發(fā)展、完 善，超聲波流量將得到更加廣泛的應(yīng)用［7］。