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時差式超聲波流量計的結構形式
關鍵字：超聲波流量計 日期：2012-12-20 9:20:07
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超聲波流量計的結構形式
1．構成
流量計主要由流量計表體、超聲波換能器及其安裝部件和信號處理單元組成。對于現場插入式和外夾式流量計，安裝換能器處的管道可做表體使用。插入式流量計的換能器直接與被測流體接觸，外夾式流量計的換能器緊密安裝在管道壁外。
2．形式
流量計按換能器安裝方式可分為插入式和外夾式兩種形式。插入式流量計根據換能器的數量不同，分為單聲道流量計，雙聲道流量計和多聲道流量計。
流量計的輸出方式有脈沖輸出、模擬量輸出和數字通訊輸出等。超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統三部分組成。超聲波發射換能器將電能轉換超聲波能量，并將其發射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算，這樣就實現了流量的檢測和顯示。
超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應，采用適當的發射電路把電能加到發射換能器的壓電元件上，使其產生超聲波振勸。超聲波以某一角度射人流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經壓電元件變為電能，以便檢測。發射換能器利用壓電元件的逆壓電效應，而接收換能器則是利用壓電效應。超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件固定入聲道中，構成換能器整體（又稱探頭）。
超聲波流量計的電子線路包括發射、接收、信號處理和顯示電路。測得的瞬時流量和累積流量值用數字量或模擬量顯示。
根據對信號檢測的原理，目前超聲波流量計大致可分傳播速度差法（包括：直接時差法、時差法、相位差法、頻差法）波束偏移法、多普勒法、相關法、空間濾波法及噪聲法等類型。其中以噪聲法原理及結構最簡單，便于測量和攜帶，價格便宜但準確度較低，適于在流量測是通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳播時速度之差來反映流體的流速的，故又統稱為傳播速度差法。其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差法又分為：Z法（透過法）、V法（反射法）、X法（交叉法）等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產生偏移來反映流體流速的，低流速時，靈敏度很低適用性不大。多普勒法是利用聲學多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。相關法是利用相關技術測量流量，原理上，此法的測量準確度與流體中的聲速無關，因而與流體溫度、濃度等無關，因而測量準確度高，適用范圍廣。但相關器件價格貴，線路比較復雜。噪聲法（聽音法）是利用管道內流體流動時產生的噪聲與流體的流速有關的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，設備價格便宜，但準確度低。
以上幾種方法各有特點，應根據被測流體性質。流速分布情況、管路安裝地點以及對測量準確度的要求等因素進行選擇。一般說來由于工業生產中介質的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時差法。只有在管徑很大時才采用直接時差法。對換能器安裝方法的選擇原則一般是：當流體沿管軸平行流動時，選用Z法；當流動方向與管軸不平行或管路安裝地點使換能器安裝間隔受到限制時，采用V法或X法。當流場分布不均勻而表前直管段又較短時，也可采用多聲道（例如雙聲道或四聲道）來克服流速擾動帶來的流量測量誤差。多普勒法適于測量兩相流，可避免常規儀表由懸浮粒或氣泡造成的堵塞、磨損、附著而不能運行的弊病，因而得以迅速發展。隨著工業的發展及節能工作的開展，煤油混合(COM)、煤水混合(CWM)燃料的輸送和應用以及燃料油加水助燃等節能方法的發展，都為多普勒超聲波流量計應用開辟廣闊前景。
（三）計量性能要求
表2 -10為推薦的準確度等級系列，如采用非表中所列準確度等級，需在流量計產品說明書中及流量計銘牌上明示。流量計在q1≤q；的流量范圍內，其最大允許誤差應符合表10的規定，在q。i。≤q<吼的流量范圍內，最大允許誤差不超過表中規定的最大允許誤差的2倍。并且，對氣體流量計，qf對應的流速應不大于3m/s；對液體流量計，qt對應的流速應不大于0. 3m／s。表2 -10準確度等級
(1)流量計系數調整
連續兩次檢定之間流量計系數的調整量應不超過準確度等級所對應的最大允許誤差的2倍。如超過，可降低該流量計的準確度等級直至滿足要求，或按檢定不合格處理。
(2)重復性
流量計的重復性不得超過相應準確度等級規定的最大允許誤差絕對值的1/3。
(3)雙向測量的流量計兩個測量方向應分別進行檢定。
(4)外夾式流量計應對每對探頭分別檢定，并盡量在與使用管徑相同的管徑下進行檢定。如使用管徑與檢定管徑之比大于2或小于1／2，使用時流量計應增加一個0. 5%的附加
誤差。
（四）用途
時間差法流量計用于單相液體或氣體的流量測量，多普勒流量計主要用于污水流量測量
（五）換能器信號傳播與接收
在超聲流量計中通常采用壓電陶瓷材料做為換能器，它具有高聲阻，而氣體的聲阻是低的，因此對于陶瓷換能器向氣體輸送能量阻撓匹配是很困難的，至少工作過程是低效率的。接收信號的特性還與聲束傳播順流或逆流有關，各類流量計解決此問題采取不同的方案。傳統的方法是應用很低密度材料覆蓋于壓電陶瓷材料換能器的表面，以達到不同阻撓的匹配。此覆蓋層應穩定，應用此技術除耦合外還可以改善結構問題。為了降低換能器的振響，可附加一個吸收襯墊，通常此類換能器的頻率范圍為140kHz到180kHz。聚氟乙烯(PVDF)膜具有低聲阻特性，它在伸張和支撐時有壓電性質，可以做為發射器，亦可做為接收器的可逆工作方式。其缺點是對溫度敏感．因此其電子線路的增益需要隨時改變以適應它。換能器的一個工作難題是換能器需面臨灰塵，在所有網狀系統中皆有一些灰塵，但在陳舊系統可能存在所謂塵暴。灰塵主要由氧化鐵和二氧化硅組成，當速度分布變化或其他擾動時氣流就積聚它，它對換能器的機械磨損以及喪失線性特性等方面有很大關系。
對于流量計低流量時的準確度，換能器的線性度很重要，非線性特性甚至在無流量時可能引起兩方向的計時差別，結果實際上無流量卻出現流量顯示，因此換能器需要良好的線性度。灰塵附著于線性換能器的表面，可能使換能器具有不同的振幅而產生非線性。
常用安裝方法：
(1)平行雙聲道Z法（即一側換能器斜方向發射聲波到對面一側換能器接收）
(2)雙聲V法反射，其特點是發射換能器發射聲束散射至對面一側換能器接收，布置于弦位置上。
(3)單聲道V法（即發射聲波經對面管壁反射到同側另一換能器接收）傳播方式。
(4)四聲道組合傳播聲波，兩個聲道是V法反射布置，為流量測量的基本信號；另兩個聲道之一的聲束是按直徑途徑傳播，之二的聲束是按；角形反射途徑傳播，作為流速分布修正的輔助信號 |
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