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超聲波流量計范文第1篇

和傳統(tǒng)的機械、電磁式的測量流量的儀表相對比，超聲波流量計主要具有以下優(yōu)點：一是作為一種非接觸式的儀表，超聲波流量計能夠在管道外部測量，它完全沒有壓力的損失，也不會流體流動的狀態(tài)的改變，對原有的管道不需要進行任何的加工就可以測量。二是超聲波流量計輸出信號和被測的流體的流量為線性的關系。三是測量的結(jié)果不會受到被測的流體黏度及電導率等影響，可以用來測量非導電性的液體或者氣體。四是對大口徑、大流量的測量，它的測量成本基本和管徑大小沒有任何關系，能夠?qū)崿F(xiàn)能耗的節(jié)約，而不象其它類型的流量計管徑增大、成本會大幅度地增加。五是它更能適合所處條件較惡劣的被測流體，由于檢測不需要接觸，從而帶來很大便利和好處。它的缺點主要表現(xiàn)在，對于外夾式的超聲波流量計，檢測元件的維修和更換較為方便，不用斷流，也不會影響生產(chǎn)運行，可是，由于其在管道外進行測量，聲道的數(shù)量比較少，因此精度比管道嵌入式的低；而對于管道嵌入式的超聲波流量計，一方面維修與更換會較為麻煩，另一方面由于有三、四聲道和更多聲道的產(chǎn)品，其精度會很高。還有，由于超聲波流量計的安裝對前后的直管段要求上有很大的限制，從而產(chǎn)生較高的造價和運輸成本。

2超聲波流量計選型的注意事項

超聲波流量計選型工作較為復雜，關注的內(nèi)容包括：被測的介質(zhì)類別、儀表的性能和參數(shù)、換能器的類型、功能及適用的范圍、聲道的設置、前后的直管段長度的要求等等。選型應當注意以下幾個方面：一是要了解被測對象的現(xiàn)場情況和物理的特性；二是其信號的處理單元必須適合戶外、爆炸、危險性等類型的場所進行安裝，防爆和防護的等級必須符合現(xiàn)場的要求。二是換能器的前后應有一定長度的直管段，從而確保流體流速的分布，通過要求前面的直管段在10D以上，而后面的直管段就在5D以上，并且其上游30D之內(nèi)，不可以安裝閥、泵等擾動設備。三是換能器要安裝于傾斜及水平的管道上的時候，不能裝于上部或者底部，避免管道中的氣體或者雜質(zhì)進到測量的聲道當中。四是換能器安裝必須使超聲波的傳播路徑經(jīng)過管道的中心。四是要區(qū)分被測對象進行選型，氣體用的換能器頻率一般在100至300KHz，而液體用的換能器頻率一般為1至5MHz。

3超聲波流量計在石化行業(yè)計量中的應用

3.1用時差法超聲波流量計來測量成品油超聲波流量計可以進行多聲道進行測量；能通過報警功能和智能檢定軟件診斷來監(jiān)測其運行的狀態(tài)；能對各聲道自動增益進行調(diào)節(jié)；能夠測量出各聲道流速的分布、進行第一聲道聲速的計算，從而校正旋渦流、橫向流及不對稱流；在被測的液體密度和粘度發(fā)生變化的時候，能通過聲速的測量來反推油品密度和粘度，從而利用超聲波流量計替替代密度計，解決處理混油段技術。

3.2標準體積管實流標定超聲波流量技術雙向標準體積管屬于標準容積式的機械設備類型，在U型的標準管段的進口和出口裝著檢測開關兩（或四）個，排液球或活塞一個。觸動首個檢測開關，排液球進到標準段；排液球觸動第二個檢測開關，則離開了標準段。超聲波流量計進行測量的原理說明，其脈沖與真實的流速（或流量）會有固定的延時。然而管道中流體的擾動很復雜，會包括多次擾動的渦流及非軸向的速度成分。超聲波流量計沿一或多個采樣的聲道，通過發(fā)射器與接收器的正反向的時差，可以檢測、推導、計算出流體的流速。

4結(jié)語

超聲波流量計范文第2篇

關鍵詞：液體超聲波流量計；標定方法；貿(mào)易交接；中海油的應用

中圖分類號：

TB

文獻標識碼：A

文章編號：16723198（2013）21019102

1概述

近年來，隨著液體超聲波流量計計量與測量技術的不斷發(fā)展，使得液體超聲波流量計在流量計量與測量的領域有著廣闊的應用前景，并且在很多應用工況中，逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的容積式流量計和渦輪流量計，成為貿(mào)易交接和過程測量的新寵。美國Emerson公司的Daniel產(chǎn)品，德國Krohne，法國Faure Herman，美國Cameron等公司生產(chǎn)的多聲道管段式液體超聲波流量計已在國內(nèi)外的成品油和原油的交接計量站中有多次成功的應用，例如，在中海油的渤中LVDA27-2作業(yè)區(qū)，中海油伊拉克米桑油田區(qū)塊外輸計量，中海油-新田石油合作平臺LF7-2的外輸計量撬中均已成功投用。從技術的角度出發(fā)，由于多聲道管道式液體超聲波流量計在大口徑管道，大流量計計量中有著突出的優(yōu)勢，無附加壓力損失，無可移動部件的構(gòu)造及完善的自診斷功能，便利的在線維護性的優(yōu)勢都超過了傳統(tǒng)的容積式流量計和渦輪流量計，并有著較其他液體流量計更寬的量程比，所以逐步成為應用于液體烴貿(mào)易交接的計量儀表。

2液體超聲波流量計工作原理及檢定難點

液體超聲波流量計的測量原理是根據(jù)時差法，即當超聲波在介質(zhì)中傳播時，會帶上流體的信息，即使往返的聲波信號的傳播時間產(chǎn)生微小的變化，時間的變化正比于流速。多聲道液體超聲波流量計是通過測量不同聲道上的傳播時間差來時間測量與計算的。

根據(jù)API 5.8章節(jié)中可知，超聲波流量計不同于傳統(tǒng)的容積式流量計和渦輪流量計，其是靠電子芯片間接測量而對外發(fā)出計算脈沖的，此即為人工“制造”出與流量相關的脈沖（頻率），由于流量脈沖和串行信號是通過計算獲得，因此輸出信號會落后于流體的特性，而且經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的處理，脈沖信號很可能落后于串行數(shù)據(jù)的信號。

超聲波流量計在其內(nèi)部幾條聲道上進行高頻率的時間差測量，由于流體流動存在的不穩(wěn)定性，任何微小的流量擾動和脈動都會被流量計所檢測到，從而導致流量計產(chǎn)生不均勻的脈沖輸出（如圖1），而這些信息是其他傳統(tǒng)的機械性流量計而反應不出來的。

而活塞式體積管由于最大尺寸的容積仍遠小于API的容積推薦值，另外還有活塞式體積管在運行過程中的發(fā)射和回收可以引起流量的明顯擾動，因此活塞式體積管不能直接用于標定液體超聲波流量計。

綜上所述，由于超聲波流量計本身的原理及特點存在不均勻的脈沖輸出，所以導致標定的體積管容積值巨大，大型的體積管在制造，使用，運輸安裝方面存在很多不便之處，尤其是海洋石油受平臺及油輪上空間及重量的局限性，都嚴重制約著超聲波流量計在中海油的發(fā)展及應用。

3液體超聲波流量計的檢定

由上所述，根據(jù)API標準可用球形體積管根據(jù)規(guī)范推薦的容積來選擇直接標定液體超聲波流量計。但是由于海上條件的限制，不是每個項目及應用都有足夠的空間來滿足球形體積管，所以要在中海油的業(yè)務中尋求更新和發(fā)展，必須要有辦法來解決這個問題。

目前國際上的應用證明等精度傳遞理論即“活塞式體積管+標準流量計法”可以解決超聲波流量計需要體積管容積大的問題，標準流量計考慮到量程范圍，推薦用渦輪流量計。

在流量計量領域中有等精度傳遞理論，及流量量值傳遞時只需要滿足計量學相關性基本原則，流量計在使用時和檢定時流量點相同，介質(zhì)相同和使用介質(zhì)的物理特性相同，流量計檢定和使用時幾何特性相同，流量計在檢定和使用過程中的操作過程相同，那么流量基準所復現(xiàn)的流量單位制將會等同精度傳遞給工作流量計。

“小容積體積管+標準流量計法”的檢定方法為：

（1）先利用活塞體積管檢定作為中間傳遞的標準流量計，在規(guī)定的流量點下，逐點進行多次重復測量（測量次數(shù)不少于5次），再進行溫度，壓力修正后，計算出標準表在每個檢定點下的平均儀表系數(shù)和對應的重復性。標準流量計檢定得到的重復性已優(yōu)于0.02%為宜。

（2）在相同的檢定流量計和檢定條件下，在規(guī)定的時間段和規(guī)定的標準表脈沖數(shù)（通常大于10000個）內(nèi)同時記錄標準表流量計和超聲波流量計的脈沖數(shù)以及當時各處的溫度，壓力數(shù)據(jù)，此時體積管停止運行。

（3）通過標準表的脈沖數(shù)及儀表系數(shù)及當時的溫度，壓力，計算出流過標準表的流體體積。

（4）通過標準表的流體體積及超聲波流量計處的溫度，壓力可以得出超聲波流量計在每一個檢定點下的平均儀表系數(shù)和對應的重復性。

目前“小容積體積管+標準流量計法”是液體超聲波流量計的主要檢定方法，國外主要的技術機構(gòu)都采用本方法，并且主流的流量計算機，例如S600+，OMNI等都在控制程序中都支持該檢定方法。

小容積體積管+標準流量計的檢定方法符合JJG1030-2007超聲波流量計檢定規(guī)程中關于現(xiàn)場在線檢定的技術要求，可以對使用中的超聲波流量計的進行檢定和檢驗。

4液體超聲波流量計在中海油貿(mào)易交接的應用

中海石油旅大32-2/27-2油田項目中第一次應用液體超聲波流量計作為貿(mào)易交接的應用。該油田在其旅大32-2PSP平臺上配備了兩套美國艾默生公司Daniel液體超聲波流量計，采用一臺18in活塞式體積管（容積值約120L）及一臺渦輪流量計為標準表。應用本文提出的方法進行標定后得到新的流量計系數(shù)。外輸作業(yè)結(jié)束后，通過對比流量計及油罐的數(shù)據(jù)得到較好的一致性，兩者之間偏差小于0.02%。目前該項目已經(jīng)投用兩年多，得到客戶的肯定和好評。

隨后中海油伊拉克項目采用了三套DN150的液體超聲波流量計，同樣配用18in活塞式體積管及一臺渦輪流量計為標準表，目前已經(jīng)為中海油與伊拉克油田方提供貿(mào)易計量的服務。

此外，液體超聲波流量計+球形體積管方式應用于中海石油-新田石油合作平臺LF7-2原油的外輸計量中。

對于中海油近五年來首個FPSO，恩平油田群24-2船，已經(jīng)確認為液體超聲波流量計（三用一備DN250）+球形體積管（30寸雙相球形體積管）的外輸計量方案。2014年將投產(chǎn)使用。

5結(jié)論

作為貿(mào)易計量儀表，準確性，重復性是流量計的重要參數(shù)指標，為了保證液體超聲波流量計的這些指標，就應該遵守計量法規(guī)的可行的在線檢定技術和方法。貿(mào)易計量儀表的標定是流量量值傳遞及溯源連中最重要的環(huán)節(jié)，國家計量檢定方法對流量計的發(fā)展及應用有著重大的意義和推進作用。超聲波流量計計量液態(tài)烴發(fā)展較晚，相對其他傳統(tǒng)的流量計而言，國際上相應的標準也較少。美國石油協(xié)會API于2002年10月制定的采用時差法超聲波流量計測量液態(tài)烴的技術標準草案，2005年1月轉(zhuǎn)為正式標準API MPMS 5.8：2005《用時差法超聲波流量計計量液態(tài)烴》.我國沒有液體超聲波流量計計量液態(tài)烴的專項規(guī)范標準，僅在2007年了用于檢定超聲波流量計的檢定規(guī)程《JJG1030-2007超聲波流量計的檢定規(guī)程》，該規(guī)程是一個通用的標準，尤側(cè)重于氣體超聲波流量計的檢定，對計量液體超聲波流量計的標定的特殊性沒有涉及。

隨著技術的更新發(fā)展和計量規(guī)范的完善，管段式液體超聲波流量計將會在中海油的測量和計量中扮演著更重要的角色。其量程比及壓損的優(yōu)勢，完善的電子診斷功能及低成本的維護，將為中海油低碳綠色業(yè)務的拓展提供更大的支持。

超聲波流量計范文第3篇

關鍵詞：超聲波流量計；特點；安裝；故障

引言

超聲波流量計是一種可以利用非接觸的方法來測量流體流量的儀表。它既可以測量其他儀表不能檢測的非導電介質(zhì)、放射性、易爆和強腐蝕介質(zhì)的流量，也可以用于不易觀察和直接接觸的介質(zhì)流量的測量。它的測量準確度較高，可以不受被測介質(zhì)的各種參數(shù)的干擾，尤其可以解決測量大管徑的液體流量問題。因此超聲波流量計被廣泛應用于環(huán)保、油田、水務公司、冶金、發(fā)電等行業(yè)，而熟悉和掌握超聲波流量計的安裝及常見故障問題處理是解決流量測量準確這一問題的關鍵所在。

1 超聲波流量計的測量原理

超聲波流量計是通過測量流體流動對超聲波產(chǎn)生的信號影響來對流體流量進行測量，其測量原理是利用“時差法”來測量的。

而時差法的測量原理為：一個超聲波探頭發(fā)射聲波信號穿過流體介質(zhì)、管壁到另一側(cè)的管壁后，被管壁的另一忍酵方郵盞叫藕牛與此同時，第二個探頭也發(fā)射聲波信號被前一個探頭接收到，由于受到流體介質(zhì)間流速的影響，兩者之間存在一定的時間差Δt，根據(jù)公式推算出時間差Δt和流速V之間的轉(zhuǎn)換關系V=（C2/2L）×Δt，進而可以得到相關的管道內(nèi)的流量值Q。

2 超聲波流量計的特點

2.1 使用面廣

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。超聲波流量計也可用于氣體流量測量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到河流都可適用。多普勒法超聲波流量計可測量雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。

2.2 價格適中

因各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，流量儀表成本基本上與被測管道口徑大小無關。從而比起其他類型的流量計，超聲波流量計隨著口徑增大造價大幅度減少，所以，口徑越大，優(yōu)點越顯著。另外一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，從而抬高成本和造價，而超聲波流量計在成本和造價方面均可避免。

2.3 維修和安裝方便

安裝時不需要閥門，法蘭、旁通管路等，無論是安裝還是維修，都不需要切斷流體，不會影響管道內(nèi)流體的正常流通。因此，維修和安裝方便。

2.4 解決測量各種介質(zhì)流量的難題

超聲波流量測量的準確度幾乎不受被測流體溫度、密度、壓力和粘度等參數(shù)的影響。由于超聲波流量計是非接觸式流量儀表，所以，除了用于測量水、石油等一般介質(zhì)外，還能對非導電介質(zhì)、放射性、易爆和強腐蝕介質(zhì)進行流量測量。

3 超聲波流量計探頭的分類及主要安裝方法

3.1 超聲波流量計探頭的種類

常用的超聲波流量計探頭按安裝方式有如下三種：

（1）管段式探頭，安裝時需要切開選定的直管段，采用法蘭連接。產(chǎn)品已經(jīng)過生產(chǎn)廠家標定，好處是探頭可以在使用企業(yè)不用停產(chǎn)的情況下進行維修，其特點是測量的準確度高。（2）插入式探頭，安裝時需用鉆孔工具在使用企業(yè)不停產(chǎn)狀態(tài)下將探頭插入管線中。特點是能在水中帶氣體或水管內(nèi)壁結(jié)垢情況下實現(xiàn)準確可靠的測量。（3）外夾式探頭，安裝時需將管外壁的預安裝位置用打磨工具打磨光滑后用耦合劑將探頭貼于管外壁再用專用夾緊裝置固定。此類方法能方便地在管壁外進行水流量測量，也適合便攜式流量計。不好的地方是易造成耦合劑的處理不當引起信號接收狀態(tài)異常而影響測量的準確性和可靠性。

3.2 超聲波流量計探頭的安裝方法

超聲波流量計傳感器的安裝方法直接關系到水流量測量的運行可靠性、可信度和準確性。

超聲波流量計探頭的安裝位置一般選擇兩個探頭管軸在與管軸水平面成45度夾角處或管道的管軸水平方向上。

超聲波流量計探頭的安裝方法有Z、V、N、W方法。其中N、W方法適用于管徑為50mm以下的管道，因性價比和使用難度原因而被很少用到。常用方法主要有兩種：（1）“Z”方法安裝，“Z”方法安裝一般適用于水介質(zhì)較差不潔凈、輸水管道管徑較大、管道內(nèi)壁有水垢或使用“V”方法安裝信號失真較嚴重的情況。一般“Z”方法安裝的可測管徑范圍通常在100mm～600mm，300mm以上管徑的管道選用“Z”方法安裝較適合。安裝探頭時須注意管道軸線與上下游兩探頭在同一平面內(nèi)，且上游探頭在高位，下游探頭在低位。（2）“V”方法安裝，“V”方法安裝是標準的安裝方法，可測量外管徑范圍為25mm～400mm。安裝探頭時須注意上下游兩探頭水平方向?qū)R，使其管道軸線與中心連線水平一致。

3.3 超聲波流量計探頭安裝的后續(xù)檢查

（1）通過流量計表頭核查上下游端探頭的信號質(zhì)量和信號強度是否滿足要求，判斷探頭能否接收到流量計表頭工作所需的超聲波信號。（2）主要檢查安裝位置與探頭需要的間距是否合適。（3）與管道外壁結(jié)合面的接觸是否光滑，結(jié)合是否緊密。

4 超聲波流量計使用中的常見故障與處理方法

4.1 故障表現(xiàn)：外夾式超聲波流量計探頭的信號過低

（1）故障分析：輸水的管道結(jié)垢較厚、管道外徑過大超過允許范圍、管道中介質(zhì)不滿管或探頭選用的安裝方法不合適。（2）處理方法：管道結(jié)垢較厚可選用插入式的探頭安裝，對于外管徑過大和管道中介質(zhì)不滿管可以重新選擇探頭的安裝方法。

4.2 故障表現(xiàn)：流量計儀表在安裝現(xiàn)場的強磁場干擾下無法正常使用

（1）故障分析：有可能是探頭周圍有強磁場干擾、有大功率變頻器、接地線的安裝不合適或流量計的供電電源波動較大。（2）處理方法：將流量儀表安裝在遠離強磁場和大功率變頻器的場地，將流量計表頭正確方法接地，給流量計換裝穩(wěn)定的電源供電。

4.3 故障表現(xiàn)：流量計的瞬時流量數(shù)據(jù)波動較大

（1）故障分析：可能由于探頭的安裝位置和管道內(nèi)氣體的影響使信號強度波動較大，從而使流量數(shù)據(jù)波動較大。（2）處理方法：首先重新調(diào)整探頭的角度和位置，使管道軸線與上下游兩探頭在同一平面內(nèi)，其次保證探頭的安裝間距準確無誤。如管道內(nèi)有氣體影響管道內(nèi)本身流體波動大，也可以重新選擇探頭的安裝位置，但是要確保探頭安裝前10D后5D的安裝要求。

4.4 故障表現(xiàn)：插入式探頭在使用一段時間后出現(xiàn)主機信號降低現(xiàn)象

（1）故障分析：可能管道內(nèi)或者探頭表面產(chǎn)生水垢、探頭安裝位置改變或者發(fā)生偏移、探頭長時間日曬導致信號衰減。（2）處理方法：重新安裝和調(diào)整流量計探頭的位置，清潔探頭和管壁上的水垢，若探頭信號已經(jīng)衰減可重新更換新的探頭。

4.5 故障表現(xiàn)：流量計在開機的情況下無法顯示數(shù)據(jù)

（1）故障分析：流量計表頭的保險絲已經(jīng)燒斷或者使用方提供的電源與流量儀表所需要的額定值不符。（2）處理方法：在儀表上檢查保險絲是否已經(jīng)燒斷，并檢查使用方提供的電源參數(shù)是否與流量儀表所規(guī)定的額定值相符合。

4.6 故障表現(xiàn)：流量儀表開機后只有背光顯示卻無任何數(shù)據(jù)顯示

（1）故障分析：此類情況一般為流量儀表本身的內(nèi)部程序芯片異常所致。（2）處理方法：聯(lián)系流量計生產(chǎn)廠家現(xiàn)場檢查故障并處理，如無法現(xiàn)場修理則需寄回廠家檢查并維修。

參考文獻

超聲波流量計范文第4篇

[關鍵詞]測量；超聲波流量計；應用

中圖分類號：TH814 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）06-0016-01

1 引言

近些年隨著數(shù)字技術、電子技術的發(fā)展，根據(jù)不同原理、不同構(gòu)造，可以應用于不同工業(yè)生產(chǎn)的超聲波流量計已經(jīng)出現(xiàn)，這些超聲波流量計具有安裝簡便、運行過程比較穩(wěn)定，在工業(yè)生產(chǎn)中常用超聲波流量計測量流量。

2 超聲波流量計的測量原理及特點

超聲波流量計是一種非接觸式的測量儀表，適用于測量不容易接觸的流體和大管徑的流量。超聲波流量計是由電子線路、超聲波換能器、流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波換能器是將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測的流體中，接收器所接到的超聲波信號，通過電子線路進行放大，將轉(zhuǎn)換的表示流量的電信號，提供給流量顯示和累積儀表進行顯示和計算，通過上述原理來實現(xiàn)流量的測量。

超聲波流量計的測量方法有多普勒效應法、傳播速度差法、波束偏移法等。多普勒效應法的測量原理是運用聲波中的多普勒效應，來測量得到逆流和順流的頻率差而得出的流體的流速，最終得出流量。傳播速度差法的測量原理是測量超聲波脈沖的逆流和順流的速度差而得出的流體的流速，最終得出流量。波束偏移法的測量原理是通過運用超聲波波束垂直于流體流動的方向進行入射時，因為流體的流動導致超聲波波束發(fā)生偏移的情況，從而通過偏移量的大小來計算被測流體的流速。

超聲波流量計的特點主要有以下幾個方面：

（1）需要測量的液體只要能夠傳播聲波，就可以在管道外面對其測量，這種測量方法不用對管道進行改動、可以不用直接接觸被測流體、沒有壓力損失、不受流體磨損和腐蝕的影響。

（2）能夠直接測出被測流體的累積流量以及瞬時流量。

（3）構(gòu)造簡單，安裝、維護比較方便。

（4）可測范圍廣，可以測量同一臺儀表的不同口徑的管道流量，靈敏度高，能夠測量流速的微小改變。

（5）不僅能夠測量流量以及流速，還可以對流體的其他參數(shù)如濃度、成分等進行測量。

3 超聲波流量計的安裝維護及應用

由于超聲波流量計安裝簡便、可測范圍廣、在使用中比較穩(wěn)定等優(yōu)點，其應用可以延伸到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水電、水利等部門，可以較準確的測量流量，應用范圍廣。

2.1 超聲波流量計的分類

（1）多普勒式超聲波流量計

多普勒式超聲波流量計適用于測量能夠反射超聲波信號的氣泡或者顆粒的流體，一般可測量未處理過的污水、工廠的排放液等。超聲波流量計對于被測介質(zhì)一般要求雜質(zhì)含量相對穩(wěn)定的，才可以測量。而且不同廠家的儀表性能對于被測介質(zhì)的要求也是不同的。

（2）時差法超聲波流量計

時差法超聲波流量計是目前應用最為廣泛的超聲波流量計，它一般被用來測量比較干凈的液體流量，常用在工業(yè)用水和自來水廠。

（3）管道式超聲波流量計

管道式超聲波流量計它的測量精度是最高的，而且不受管道襯里和材質(zhì)的限制，一般適用在對于流量測量精度要求很高的場合。管道式超聲波流量計的缺點是在安裝過程中，一定要切斷管道，而且當管徑增大時，其成本也在增加。一般情況下，都采用中小口徑的管道式超聲波流量計，比較經(jīng)濟實用。

2.2 超聲波流量計的安裝

超聲波流量計的正確安裝與合理選型均關系到超聲波流量計能否正常測量流量。超聲波流量計的換能器位置一般選擇在遠離管道閥門、彎頭的位置，可以選擇在垂直管段或者水平管段。在超聲波流量計的換能器安裝時，盡可能地避免電焊機、變頻調(diào)速器等可能污染電源的場合。超聲波流量計與上、下游直管段的距離十分關鍵，一般選擇上游直管段為10D（D表示管道直徑），下游直管段為 5D。

超聲波流量計的換能器的安裝方式有一定的要求，如多普勒效應超聲波流量計一般采用對貼式的安裝方式，其最合適的位置不能選在管道的上、下游位置，可選擇在管道的水平位置。不同的安裝方式，超聲波流量計的換能器的信號強度是不同的，其測量的穩(wěn)定性也是不一樣的。

2.3 超聲波流量計的維護

超聲波流量計的維護工作相比于其他類型的流量計，維護的工作量要少一些，一般超聲波流量計的維護主要是定期進行現(xiàn)場的巡檢，查看超聲波流量計的換能器是否有松動，與管道之間是否是粘合的良好。對于管道式的超聲波流量計，一般要查看管道與超聲波流量計之間的法蘭有沒有連接好，在作業(yè)現(xiàn)場的腐蝕性氣體、溫度等對電子元件的影響。對于插入式的超聲波流量計，要注意定期清潔探頭上所沉積的水垢、雜質(zhì)等，而且還要檢查在密封口處有沒有泄漏的現(xiàn)象。對于外貼式的超聲波流量計，要查看換能器是否松動，鋼帶連接有沒有緊固，以及與管道之間的粘合劑是否是良好的。

4 結(jié)語

采用超聲波流量計測量流量，具有實時性好、測量的精確度高等特點。隨著超聲波流量計的應用越來越廣泛，為工業(yè)現(xiàn)場的流量的測量提供了很大的方便，超聲波流量計在工業(yè)生產(chǎn)和計量方面都發(fā)揮著重要的作用。

參考文獻

[1]方衛(wèi)東.儀表安裝與維修[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

超聲波流量計范文第5篇

關鍵詞： 流體力學； 整流； 立柱型； 喇叭口； 長徑比

中圖分類號： TN02?34； TH702 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0124?05

Design of ultrasonic heat meter based on water flow characteristic improvement

LI Shiguang， JIA Junzheng， GAO Zhengzhong， TAN Chong， LI Kaixuan

（Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： Since the water flow distribution in base table is a key problem to affect on the flow measurement accuracy， the hydromechanics knowledge combined with the numerical simulation analysis is adopted to design an ultrasonic heat meter based on the water flow characteristic improvement. By analyzing the internal flow field of the DN25?type base table， a cone rectifier is installed on the center line of the water inlet and the reflection unit of smooth pillar type is adopted to facilitate the shunting and avoid the jet flow production. A ″flared″ diversion kerb configuration is added to the front end of the measuring channel and the length?diameter ratio is increased to benefit to the entire flow improvement and improve the total fluxion development. The deviation curve graphs before and after optimizing are compared by the simulation of Matlab software. The results prove that the stability and precision of the designed heat meter are improved， and the meter meets the expected requirements and has a broad market prospect.

Keywords： hydromechanics； rectification； pillar type； flared type； length?diameter ratio

0 引 言

我國北方采暖地區(qū)70%以上的民用建筑采用集中供熱方式采暖[1]，供熱計量改革后采用“分戶供暖，分戶計量”的采暖計費制度代替過去按平方面積收費不合理的制度。用于測量、計算和顯示熱交換系統(tǒng)所釋放或吸收熱量值儀表的熱量表，根據(jù)流量傳感器的測量原理分為機械式、超聲波式和電磁式。其中，超聲波熱量表由于對熱介質(zhì)要求較低、穩(wěn)定性好和精度高等特點，在分戶供暖計量的熱量表市場中越來越受歡迎。

目前超聲波熱量表發(fā)展快，應用廣泛，它可應用于含鐵銹等雜質(zhì)的熱交換系統(tǒng)中，符合供暖行業(yè)的現(xiàn)狀。通過數(shù)值模擬分析基表內(nèi)水流特性，對基表進行優(yōu)化設計，得到高精度、低功耗的超聲波熱量表。

1 超聲波熱量表的工作原理

1.1 熱量表的熱量計量數(shù)學模型

超聲波熱量表是在超聲波流量計的基礎上，在供、回水管道端口處加上溫度傳感器測量溫度，通過測出管道內(nèi)流體的流量和進、出水的溫差計算出用戶使用的熱量。其中流量測量部分利用一對配對的超聲波換能器相互交替（或同時）收發(fā)超聲波信號，通過德國ACAM公司的計時芯片TDC?GP22測量出超聲波信號在流體中順水流和逆水流的傳播時間差來測量管道中的流體流速，流體流量間接通過流速計算得出。流體經(jīng)過熱交換系統(tǒng)時根據(jù)時差法測量的流體流量、管道的進出水溫度和流體經(jīng)過的時間，通過MSP430 MCU的計算就得到供用戶實際使用的熱量[2]。

目前，國內(nèi)熱量表普遍采用熱焓值法，熱焓值的計算公式[3]為：

2 水流特性的分析

實際流體都是有粘性的，故又稱為粘性流體。流體流經(jīng)管道內(nèi)壁面時，緊貼管道內(nèi)壁面的流體質(zhì)點將粘附在壁面上，它們相對壁面的速度為零。粘附在管道壁面上的流體質(zhì)點受靜止壁面的影響，在管道壁面和流體的主流之間則有一個由零過渡到主流速度[v]的流速變化區(qū)域。對于流速不均勻的粘性流體，在流動的垂直方向上出現(xiàn)速度梯度[6]。

因此，粘性流體在不同流速下存在不同狀態(tài)，通常把雷諾數(shù)Re作為判別層流和湍流的準則，而且實際工程上一般取臨界雷諾數(shù)Re=2 000。如圖2所示，當Re≤2 000時，流動為層流，分布為旋轉(zhuǎn)拋物面；當Re>2 000時，流動是湍流，分布為對數(shù)分布。

2.1 基表內(nèi)流場的流動特性

利用RNGk?s模型通過FLUENT軟件對戶用超聲波熱量表DN25型基表進行數(shù)值模擬計算可知，流體流經(jīng)基表的流動分為三個不同的階段[7]。

第一階段：流入流體繞流前端的反射裝置后形成兩條射流夾死區(qū)，并且在其背后形成流動的一段“靜水區(qū)”。進水端口的入口形態(tài)影響兩條射流的強度和方向以及靜水區(qū)的面積大小和穩(wěn)定性。

第二階段：兩條射流匯合在管道前端時，流體中間比四周流速快，通過在管道內(nèi)不斷地交換能量后，速度逐漸發(fā)展均勻平穩(wěn)。湍流程度和長徑比影響著速度發(fā)展均勻的快慢。

第三階段：流體在管道內(nèi)流動發(fā)展后，流經(jīng)后端的反射裝置形成兩條射流從管道流出。其受出水口結(jié)構(gòu)的影響。

文獻[8]研究了管道過渡區(qū)的水流特性，分析了U型反射方式流量計過渡曲面?線平均速度關系的正確性，熱量表的修正系數(shù)[k]有了理論依據(jù)。文獻[9]通過LES數(shù)值模擬計算，對超聲波熱量表DN25型基表的反射柱大小、流體過流面積和反射路程等方面進行了研究，數(shù)值分析后得出了優(yōu)化現(xiàn)有基表的方案。文獻[10]研究了在湍流繼續(xù)發(fā)展下，根據(jù)射線追蹤算法將聲波信號速度和流體橫截面平均速度的不穩(wěn)定性應用到分析算法中，同時研究了影響管道橫截面平均溫度和速度的因素。文獻[11]研究了帶控制片方柱在高雷諾數(shù)下非定常態(tài)的繞流問題，加裝整流片抑制或形成的渦會影響柱體側(cè)面的分離，使方柱阻力系數(shù)減小。

目前，對超聲波熱量表的研究與設計主要集中在基表結(jié)構(gòu)，還有在定常狀態(tài)下的水流特性的研究，很多重要因素影響著熱量表測量的精度[12]，比如基表內(nèi)的水流特性。根據(jù)影響因素對基表進行改進，才能更好地提高測量精度。

經(jīng)過數(shù)值模擬分析，在低流量段適應性最大偏差為4.8%，且整個流量范圍的適應性還是很好的，測量誤差波動范圍較小。實際工程中超聲波熱量表的常用流量范圍為低流量段（0.05～0.5 m3/h），此流量區(qū)間的精度是熱量表性能重要的衡量指標。流體流速在測量管道內(nèi)的分布是影響熱量表性能好壞的關鍵因素，很有必要分析流動發(fā)展規(guī)律。在基表前端直管段與前端閥門后中心線的速度分布如圖3所示。

a區(qū)為第一階段，前端有閥門的中心線速度略高，雷諾系數(shù)、反射片以及基表結(jié)構(gòu)影響著該處的速度分布，圓滑的反射片區(qū)域能提高對于不同入口的熱量表的適應性。

b區(qū)為第二階段，進入測管后流體速度迅速發(fā)展穩(wěn)定，有較好的適應性，前端直管段與前端閥處的速度分布偏差較大，該處使熱量表性能受到的影響最大。

c區(qū)為第三階段，是出水端反射片附近的速度分布，該階段主要受第一、二階段的影響，故可忽略。

在測量管道的前端閥門以及前端直管段處，流體流動很快發(fā)展穩(wěn)定，其速度曲線分布對稱性較好，表明基表具有很強的適應能力。

2.2 基表的優(yōu)化設計方案

根據(jù)基表內(nèi)流場特性分析可知，反射片表面死區(qū)和測量管道內(nèi)區(qū)域是影響中心線速度分布的主要因素。其中雷諾系數(shù)、反射片和基表結(jié)構(gòu)對反射片死區(qū)情況作用最大，而雷諾系數(shù)、入口形狀和長徑比影響著測量管道的速度分布。

研究基表內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)表明，進出水端口平滑可以抑制由于尖銳端口造成管道內(nèi)流體流動的分離而形成的兩條射流，使靜水區(qū)影響減少；反射片形狀平滑且其附近的過渡區(qū)域盡可能的圓滑，使流體流動進入測量管段很光滑，有很好的導流作用，提高流動適應性；在測量管道長度不變的情況下盡量縮小管道直徑，即增大長徑比，有利于使測量管道內(nèi)的流動迅速穩(wěn)定發(fā)展完全；提高雷諾系數(shù)在一定范圍內(nèi)也能使流動發(fā)展迅速穩(wěn)定。

通過實驗研究和數(shù)值模擬，查閱工程流體力學的相關專業(yè)知識，對基表結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。設計了一款增加整流裝置并改善結(jié)構(gòu)的基表如圖4所示。

（1） 在進水端口安裝一個圓錐體結(jié)構(gòu)，圓錐體的底面積正好覆蓋住反正片的背面，對不同條件的來流進行分流，緊貼椎壁的流速為零，使椎體與管道壁面之間速度均勻流入，起到很好的整流作用。

（2） 采用立柱型的反射裝置，反射片制作工藝盡可能光滑且其背面成圓弧狀，避免棱角引起流動分離而產(chǎn)生的射流，反射柱能對兩側(cè)匯入的流體起導流作用，反射裝置附近空間變大，流體流暢也可防止產(chǎn)生射流。

（3） 根據(jù)流體力學的相關知識可知圓柱繞流后的流動會紊亂，前面反射裝置的后端增加導流構(gòu)型“喇叭口”，流動發(fā)展平穩(wěn)渡過，效果很好。

（4） 減小管道直徑增大長徑比，流體流動能發(fā)展完全迅速穩(wěn)定，提高測量精度。

在其他條件一樣的情況下，用Matlab軟件做出基表優(yōu)化前后熱量表的偏差曲線，對比圖如圖5所示。

對比基表優(yōu)化前后偏差的曲線可知，優(yōu)化后的熱量表在流量所有范圍內(nèi)發(fā)展平穩(wěn)，減小了在低流量段的誤差，提高了性能，從而達到了預期的效果。

3 實驗數(shù)據(jù)測量與分析

3.1 功耗測量

本文設計的超聲波熱量表微處理器采用16位超低功耗的MSP430F4371 MCU，在其低功耗模式3（LPM3）的SFR（特殊功能寄存器）中，各模塊允許確定各自功耗控制器工作狀態(tài)的配置，模塊通過使用者的程序定義其活動或停止。MSP430通過用戶程序定義的中斷來喚醒，接著單片機就會開始工作進入中斷程序。熱量表在實驗室中溫度采集為10秒/次（溫度不會瞬變），流量采集為1秒/次（流量會瞬變），單片機的工作方式為間歇式，不工作時為睡眠狀態(tài)。利用FLUKE 15B對熱量表在不同狀態(tài)下進行功耗測試，測量結(jié)果如表1所示。

3.2 溫度的測量

根據(jù)中華人民共和國城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準CJ 128?2007的出廠規(guī)定，隨機選取5塊DN25的熱量表，選用精密數(shù)字測溫儀SPI1602A和恒溫槽HWC?R?L進行溫度測試。在55 ℃溫度點下，將溫度傳感器放入恒溫裝置HWC?R?L中進行測量，記錄所示溫度與標準溫度。利用電容充放電法間接測量溫度，將標準電阻的系數(shù)（標準溫度與溫度傳感器所示溫度比值）寫入標準電阻，來校正55 ℃溫度點。測量的實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

3.3 流量的測量

根據(jù)行業(yè)標準CJ 128?2007，溫度保持在55 ℃下，將選取的5塊DN25熱量表放在熱量表檢定裝置RJZ15?25Z上，分別對5個不同的流量點進行流量測試。測量的實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

3.4 校正后的誤差

根據(jù)熱量表的額定流量[Qn，]測量校正后5塊DN25熱量表在檢定裝置RJZ15?25Z上5個流量點下各自的誤差。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

其中，誤差計算公式為：

[E=（測量值-標準值）標準值×100%]

4 結(jié) 語

利用流體力學的相關知識結(jié)合工程實際經(jīng)驗進行優(yōu)化設計，從而改善基表內(nèi)的水流特性提高測量精度，本文設計了一款高精度、低功耗的超聲波熱量表。在實驗測試中取得了較好的測量結(jié)果，符合行業(yè)標準2級表的要求。該設計系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性都達到了預期的目標，具有廣闊的市場前景。

參考文獻

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