工控摘要：超聲波在流體中傳播時(shí)其傳播速度要受到流體流速的影響，通過(guò)測(cè)量超聲波在流體中傳播速度可以檢測(cè)出流體的流速而換算出流量。

1、時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理及特點(diǎn)

超聲波在流體中傳播時(shí)其傳播速度要受到流體流速的影響，通過(guò)測(cè)量超聲波在流體中傳播速度可以檢測(cè)出流體的流速而換算出流量。傳感器常見(jiàn)的有Z法、V法、W法三種安裝方式，如圖1所示。

圖1超聲波流量計(jì)傳感器的安裝示意圖
 

1.1時(shí)差法超聲流量原理

時(shí)差法超聲波流量計(jì)在安裝中，傳感器按Z法安裝時(shí)超聲波信號(hào)強(qiáng)度高，測(cè)量的穩(wěn)定性較好，應(yīng)用較普遍，本文以Z法安裝為例進(jìn)行說(shuō)明。

時(shí)差法超聲流量計(jì)是在被測(cè)流體內(nèi)，由超聲波發(fā)射器和接收器分時(shí)在順流方向和逆流方向發(fā)射超聲波脈沖，順流方向超聲波的傳播速度會(huì)增大、逆流方向會(huì)減小。通過(guò)測(cè)量順流與逆流的時(shí)間差，再利用傳播速度之差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系求出流速，進(jìn)而得出流量 ，原理如圖2所示：

圖2時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理示意圖圖

1.2時(shí)差法超聲波流量計(jì)的計(jì)算推導(dǎo)

根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)及聲學(xué)原理，超聲波流量計(jì)的測(cè)量式為：

式中：

Q-液體流量；

θ-超聲波傳播方向與液體流向的夾角；

△t=t1-t2超聲波順流傳播時(shí)間

t1-沿順流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時(shí)間；

t2-沿逆流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時(shí)間。

由公式可以得出：管道流體的流速與超聲波順流逆流的時(shí)間差△成正比，測(cè)量出時(shí)間差△t就可求出流體速度，根據(jù)流體速度和管道截面積便可得到液體流量。

2超聲波流量計(jì)的測(cè)量誤差成因及改進(jìn)措施

時(shí)差式超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度受到以下幾個(gè)方面因素影響。

2.1管道內(nèi)部因素引起的誤差

1）液體密度的影響。工業(yè)鍋爐能效測(cè)試中，對(duì)固體燃料鍋爐的測(cè)試時(shí)間zui低要求是兩個(gè)工況，共8h。液體溫度隨環(huán)境溫度而變化，密度也隨之變化。時(shí)差法超聲波流量計(jì)在測(cè)量之前，要人為設(shè)定被測(cè)液體的密度值。這就形成被測(cè)液體密度的真實(shí)值和設(shè)定值之間存在一定的差距，顯示值和真實(shí)值之間也由此產(chǎn)生測(cè)量誤差 。因此在工業(yè)鍋爐測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)采用管道保溫、儲(chǔ)水罐保溫等措施，減少測(cè)試過(guò)程中給水的溫差。

2）折射和散射的影響。超聲波流量計(jì)的測(cè)量是

利用聲學(xué)中的反射原理，但受管道材質(zhì)、內(nèi)表面粗糙情況的影響，超聲波在管道壁面處會(huì)形成折射和散射，超聲波信號(hào)受到干擾。因此進(jìn)行能效測(cè)試的鍋爐在安裝過(guò)程中，應(yīng)選用內(nèi)壁光滑、無(wú)彎曲、無(wú)變形的鋼管做給水管， 以減少超聲波在管內(nèi)折射和散射的來(lái)源。

3）流體速度的影響。時(shí)差法超聲波流量計(jì)的理論計(jì)算公式是設(shè)定管道內(nèi)的流速均勻分布，而管道內(nèi)流體的流速分布不均勻，包含湍流與層流，因此會(huì)引起相應(yīng)的測(cè)量誤差。在工業(yè)鍋爐能效測(cè)試中，應(yīng)選用能穩(wěn)定給水的泵， 同時(shí)應(yīng)保持鍋爐壓力穩(wěn)定，以避免壓力的波動(dòng)帶來(lái)管道內(nèi)水流的變化。

2．2管道外部因素引起的誤差

1）直管段的影響。由于傳感器測(cè)定的是流體線速度，流體流速均勻時(shí)測(cè)量精度較高， 因此在工業(yè)鍋爐能效測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)保證超聲波流量計(jì)入口前和出口后有足夠的直管段，要求上游直管段長(zhǎng)度不小于1O倍管徑，下游不小于5倍管徑。如受鍋爐房條件限制，無(wú)法滿足上述要求，則可以采用高壓金屬軟管或者重新焊接旁通管路等方式，保證直管段長(zhǎng)度，降低測(cè)量誤差。

2）管道震動(dòng)的影響。鍋爐的給水泵、控制閥門、管道彎頭、上煤系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)等引起的震動(dòng)會(huì)對(duì)超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度產(chǎn)生影響，進(jìn)而引起誤差。在能效測(cè)試過(guò)程中，多次發(fā)生因管道震動(dòng)而使超聲波流量計(jì)誤差增大甚至產(chǎn)生虛假顯示的情況。因此在安裝超聲波流量計(jì)時(shí)首先應(yīng)遠(yuǎn)離噪聲來(lái)源地，其次可選用震動(dòng)較小的泵來(lái)減小管道震動(dòng)，另外也可在超聲波流量計(jì)前直管段與給水泵之間、后直管段與鍋爐之間采用高壓金屬軟管連接，如圖3所示。

圖3高壓金屬軟管連接示意圖

3）傳感器的安裝質(zhì)量影響。管道中的氣泡會(huì)反射或衰減超聲波信號(hào)，給測(cè)量帶來(lái)誤差。氣泡一般存在于管道的上方， 因此傳感器一般采用與水平面成45。角位置安裝，使管道內(nèi)充滿流體，降低氣泡對(duì)超聲波信號(hào)的影響。

4）信號(hào)強(qiáng)度的影響。在安裝超聲波流量計(jì)的傳感器時(shí)，要打磨管道表面，均勻涂抹耦合劑，傳感器表面和管道表面要緊密貼合，使超聲波流量計(jì)具有較高的信號(hào)強(qiáng)度，減少測(cè)量誤差。

經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并與其他類型流量計(jì)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，超聲波流量計(jì)受安裝條件影響較大，多次出現(xiàn)雖然達(dá)到了允許測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度，但測(cè)試數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)卻不符的情況，這將嚴(yán)重影響鍋爐的計(jì)算熱效率。因此在使用過(guò)程中，在嚴(yán)格按照要求安裝傳感器的同時(shí)，還應(yīng)采用其他測(cè)量方式進(jìn)行同步對(duì)比分析，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和嚴(yán)密性。

3結(jié)論

根據(jù)目前的技術(shù)水平，超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和不足并存。在工業(yè)鍋爐能效測(cè)試中，較大的誤差會(huì)給測(cè)試機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員提供虛假信息，使其無(wú)法判斷鍋爐是否處于穩(wěn)定狀態(tài)、是否滿足能效測(cè)試要求，嚴(yán)重的甚至?xí)斐慑仩t缺水等安全事故，因此必須盡量降低誤差，保證工業(yè)鍋爐能效測(cè)試的順利進(jìn)行。