超声波流量计在水系统中的应用

李科中国石化股份茂名分公司炼油分部（广东茂名525011）易于操作等特点的超声波流量计因其优异的性能获得越来越广泛的应用。从超声波流量计的原理及性能入手，结合实际使用情况，着重阐述了超声波流量计在水系统流量测量中的应用情况。

　　由于能源供应的日趋紧张和科学技术的不断进步，企业能耗管理的科学化程度是衡量企业管理是否科学的一个重要标志，特别是石化行业这样的耗能大户，对能源消耗科学管理，进一步节约能源，已是当前迫切需要解决的问题。水系统流量是企业能源消耗的重要指标之，自然也是企业生产过程中受探重要参数之。在这种情况下，选择一种好的流量计，掌握准确的水系统流量计量数据，对于企业进行科学管理、成本核算是十分重要的。

　　现状调查与状况分析1现状调查目前，茂名石化公司炼油分部水资源系统中常用的流量计类型有差压流量计、涡街流量计、电磁流量计以及机械水表等，因设计考虑有欠周全、仪表本身性能不足和运行环境改变等各方面的原因，其中部分仪表无法提供准确的水流量数据。为弥补上述仪表的不足，超声波流量计现已在一些装置的仪表改造中投入使用。

　　2状况分析采用先进的计量器具，完成对能源监测设备的更新和升级，能使设备、能源、计量功能有效受控。从目前的使用情况来看，超声波流量计正是能肩负这种使命的仪表。

　　3设定目标值逐步推广使用超声波流量计，以达到不断完善水系统计量，提高计量数据准确度，最终降低单位能耗的目的。

　　超声波流量计的基本原理及分类1超声波流量计的基本原理超声波流量计由两个基本部分组成，即转换器和传感器。传感器部分安装于被测管路上，它能够接收和发射超声波信号，并由于液体的流动而产生时间差。转换器将时间差信号通过定的数学模式计算，可显示和输出流量、流速等测量值。超声波流量计的基本原理是，声波在液体中的流速和液体的类型有关。如果液体处于运动状态，声波相对于探头的速度等于液体中的声速和液体本身的速度之和。声波传播方向于流速同向时，其传播速度比反向时快。

　　通过对流量计的设置，并考虑流速的截面影响，从而计算出平均流速，再根据管道的截面积得出管体的体积流量。

　　2超声波流量计的分类超声波流量计根据测量原理的不同，大致可分为以下几类：①多谱勒效应法；②传播时间法（时差法、相位差法和频差法）；③波束偏移法；④相关法；⑤噪声法。

　　目前应用于工业测量的超声波流量计主要有两类，即采用多谱勒效应法的多谱勒式超声波流量计和采用传播时间法的时差式超声波流量计。

　　为了正确选型和合理使用超声波流量计，需要了解这两类仪表的测量原理。

　　多谱勒式超声波流量计两个探头对称地装在待测流体管路两侧，发射探头发射频率为乃的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以/2的频率反射到接收探头，这就是多谱勒效应，/2与/；之差即为多谱勒频移/d.设流体流速为超声波声速为c，多谱勒频移/d正比于流体流速《，即：=/2-/1=1（1（为常数），所以流当管道条件、探头安装位置、发射频率、声速确定以后，c、/，e即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量（如）。

　　多谱勒效应现IM原理图时差式超声波流量计的两个探头装在待测流体管道的上游和下游，对于小口径管道，装在管道侧，为W或V方式；对于大口径管道（直径大于250mm）则装在两侧，为Z方式。两个探头（即换能器）都可以发射和接收超声波信号。由于液体流速的作用，从上游侧探头发向下游的声速将增加，反之减小。两者传播的时间差直接与流体流速成正比，通过对时间差的检测即可计算出液体流速，进而求得流量（如）。

　　超声波流量计的优缺点和局限性1优点）能测量大多数液体和气体的介质；测量高，所测流量与黏度、温度、压力和导电率等因素无关；测量的线形特性好（计时时间差正比于流某些传播时间法超声波流量计附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体传播声速以判断所测液体类别；超声波流量计的仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得的，即可采用干法标定，除带测量管段式外般不需作实流校验；超声波流量计适用于大型圆形管道和矩形管道且原理上不受管径限制，其造价基本与管径无关，故口径越大，超声波流量计比相同功能其他类型流量计的性价比越优越；多谱勒超声波流量计可测量固相含量较多或含有气泡的液体；超声波流量计可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充；因易于实行与测试方法（如流速计的速度-面积法、示踪法等）相结合，可解决些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量，非圆截面管道测量等；超声波流量计不接触流量测量仪表，测量过程中传感器不接触被测流体，因此不阻流（即无额外压力损失），无腐蚀，寿命长，不受杂散电信号干扰。相比较而言，电磁流量计其电极接触被测流体，易受腐蚀，易受电磁干扰；涡街流量计易结垢或缠绕杂物造成测量不稳定，低流速测量不稳定，受震动影响较大；孔板流量计的传感器易受腐蚀、磨损，造成测量不准确，传感器部分也增加管网阻力；安装维护方便，夹装式换能器超声波流量计不需在管道上打孔或切断流量进行安装或维护（可作移动性测量，适用于管网流动状况评估测定），这是其它流量计无法比拟的，这种优势在化工、冶金、电力、供水等行业非常明显；国家规定超声波流量计的检定周期为三年，而其它流量计一般为半年或一年。

　　2缺点和局限性传播时间法超声波流量计只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；而多谱勒法超声波流量计只能用于测量含有一定异相的液体；多谱勒法超声波流量计要求被测介质必须连续，并含有足够大的反射粒子，以及流体的流速必须远远大于粒子产生沉淀的临界速度，所以其多用于对测量要求不太高的领域，如医学上的血流量检测和矿浆污水等的流量测量；外夹装换能器超声波流量计不能用于衬里或结垢太厚的管道，以及不能用于衬里（或锈层）与内管壁剥离（若夹层有气体会严重衰减超声波信号）或锈蚀严重（改变超声波传播路径）的管道；超声波流量计对安装位置环境要求较严格，须避免测量点出现非满管流、上游流动扰动和声干扰等情况。

　　超声波流量计与水系统中常用的其他流量计的比较目前茂名石化公司炼油分部水资源系统中常用的流量计类型有差压流量计、涡街流量计、电磁流量计以及机械水表等，下面将比较下超声波流量计与这几种流量计的优缺点（见表1）。

　　从表1可知，超声波流量计在综合性能上优于其他4种流量计，而且现在不断涌现出新的超声波测量技术，比如对要求严格或者当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，可以采用多声道超声波流量计，来克服流速扰动带来的流量测量误差，其可达*0.15%（后文有叙述）。

　　超声波流量计的实际使用情况据自动化研究协会的调查表明，2001年前超声波流量计每年的增长率超过12%.近几年中超声波流量计工艺技术的改进使得其测量结果更，同时也扩大了他们的应用范围。慢慢地越来越多的用户选择超声波流量计来取代电磁流量计，特别是测量大管径流量的应用场合。

　　在生产使用中，超声波流量计大体上可以分为便携式和固定式两种。

　　1便携式超声波流量计由前述可知，超声波流量计可作非接触测量，无需集流截管安装，因此可作移动性测量，即便携式，适用于管网流动状况评估测定，具有安装方便、费用低且不影响正常生产的好处。我们目前使用的主要有唐山汇中仪表有限公司的SCL-630便携式超声波流量计和美国宝丽声的便携式超声波流量计。经多次的水平衡测试发现，外部条件相同的情况下，国产的便携式超声波流量计经常出现信号强度不够、数字乱跳的现象，而进口的便携式超声波流量计则有足够的信号强度，显示结果较稳定。国内企业从仿制国外的技术起步，虽已能生产各种型号的超声波流量计，但技术上与国际的先进水平相比仍有一定的差距。

　　2固定式超声波流量计表1几种流量计性能指标比较主要技术性能指标超声波流量计差压流量计（威力巴）电磁流量计涡街流量计机械水表安装方式带压安装截流安装截流安装截流安装截流安装测量范围很广-般很广-般-般测量介质液体、气体液体、气体导电性液体液体、气体液体准确度*.5%*.2%*.5%*.0%*.0%压力损失无有无有有流体物性影响很小很大大大无稳定性优良较好较好-般差安装成本极低高高高高维护方式简便-般较难难简便外传功能有有有有无通用性无限制很差很差-般很差检定周期3年2年2年2年1年经济效益显著较高较高较高低TECHNOLOGYSUPERVISIONINPETROLEUMINDUSTRy孙玉华，男，工程师，现任地质录井处技术安全监督部副主任。

　　（上接第23页）靠的仪表设备，建立完善的水资源管理系统，对此进行合理的监控和管理，对于节能降耗、实现可持续发展的目标是非常必要的。而通过对超声波流量计在水系统中的运行情况进行调查和分析后，具有优越的工作性能、测量灵活性和极低维护量的超声波流量计正是实现这一目标较适合的选择。从实际使用情况来看，超声波流量计的确是一种值得推广的流量仪表。

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　　李科，中国石化茂名分公司炼油分部仪表车间助理工程师，从事计量工作。