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             時(shí)差式超聲波流量計(jì)的應(yīng)用

近年來時(shí)差式超聲波流量計(jì)的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，以安裝方便、維護(hù)量小、無接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于供水行業(yè)。我廠在大口徑給水管道（進(jìn)水管線管徑為DN500）兩處選用了FV2018超聲波流量計(jì)。它克服了插入式電磁流量計(jì)應(yīng)用在大口徑管道中存在的儀表故障率高，計(jì)量不準(zhǔn)確的特點(diǎn)。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)將這種超聲波流量計(jì)的特性及應(yīng)用中可能影響測(cè)量準(zhǔn)確度的一些問題作一探討。

  時(shí)差式超聲波流量計(jì)測(cè)量原理：

    時(shí)差式超聲波流量計(jì)應(yīng)用于測(cè)量液體流速對(duì)雙向聲波信號(hào)的影響。它的兩個(gè)換能器（T1、T2）以一定的間距安裝在管壁外，交替發(fā)射和接受超聲波。當(dāng)聲波在靜止的流體中傳播時(shí)，從T1到T2的聲波信號(hào)傳送時(shí)間與從T2到T1的傳送時(shí)間相同；當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，上游換能器T1向下游換能器T2發(fā)射一個(gè)信號(hào)，同時(shí)下游也向上游發(fā)射信號(hào)，而流體流速作用于聲波信號(hào)，將加快從上游到下游方向的信號(hào)速度，同時(shí)減慢從下游到上游方向的信號(hào)速度，兩個(gè)信號(hào)之間產(chǎn)生了時(shí)間差，由此求得液體的流速，再與圓管的流通截面積相乘，計(jì)算出流量。流體速度的基本計(jì)算公式為：

    

    式中：vf-流速；k-標(biāo)定系數(shù)；dt-上下游換能器測(cè)量出的時(shí)間差；TL-測(cè)量出的聲波平均穿過流體的時(shí)間。
測(cè)量原理如圖1所示：

 

 時(shí)差式超聲波流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)：

    （1）采用智能型計(jì)算器、大容量的數(shù)據(jù)記錄儀，有200KB到1MB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以儲(chǔ)流量測(cè)量的歷史數(shù)據(jù)，便于判斷儀表故
障，方便計(jì)量結(jié)算。

    （2）由換能器和轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成。換能器安裝在被測(cè)管道的外壁上，無需將管道截?cái)嗷蛄黧w停流。是一種非接觸式測(cè)量，不阻撓管道內(nèi)流體的流動(dòng)，無壓力損失、無水質(zhì)泄漏，安裝簡單操作方便，量程范圍廣，適合各種口徑的管道。智能度高，儀表維護(hù)量小。

    （3）系統(tǒng)設(shè)有自診斷功能，可對(duì)管道中流體狀態(tài)進(jìn)行分析。當(dāng)測(cè)量條件滿足工作要求后，能自動(dòng)恢復(fù)原工作狀態(tài)。

    （4）儀表性能穩(wěn)定，一般的時(shí)差式流量計(jì)準(zhǔn)確度為1%-2%，可以滿足循環(huán)水測(cè)量的需要。

 影響流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的因素

    （1）上下游直管段對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。標(biāo)定系數(shù)K是雷諾數(shù)的函數(shù)，流體從層流過渡到紊流，流速分布不均勻，標(biāo)定系數(shù)k將產(chǎn)生較大的變化，引起測(cè)量準(zhǔn)確度下降。根據(jù)使用要求，換能器應(yīng)安裝在上游直管段為10D，下游直管段為5D的位置，對(duì)于上游存在泵、閥等設(shè)備時(shí)直管段的長度，要求“距離紊流、震動(dòng)、熱源、噪音源和射線源越遠(yuǎn)越好”。我水廠在使用該種流量計(jì)時(shí)，有一臺(tái)流量計(jì)因?yàn)閾Q能器上游有泵存在，而且換能器安裝位置上游直管段不足10D，造成測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)大，一直不穩(wěn)定。如果換能器安裝位置的上游有泵、閥等設(shè)備，要求直管段為30D以上。因此，直管段長度是保證測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素。

    （2）管道參數(shù)設(shè)置對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。管道參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確與否，與測(cè)量準(zhǔn)確度關(guān)系密切。如果管道材質(zhì)及尺寸的設(shè)置與實(shí)際不相符，將使理論管道流通截面積與實(shí)際流通截面積產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致zui終結(jié)果不準(zhǔn)確。另外，換能器之間的發(fā)射間距是根據(jù)流體（聲速、動(dòng)力黏度）、管道（材質(zhì)和尺寸）、換能器的安裝方式（V法或Z法）等各種參數(shù)綜合運(yùn)算的結(jié)果，換能器的安裝距離產(chǎn)生偏差，也會(huì)引起大的測(cè)量誤差。其中管道內(nèi)徑的設(shè)置和安裝距離對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度影響比較突出。據(jù)有關(guān)資料介紹，若管道內(nèi)徑誤差±1%，則引起約±3%的流量誤差；若安裝距離誤差±1mm將產(chǎn)生±1%以內(nèi)的流量誤差。圖2為不同管道內(nèi)徑誤差±1mm對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響?？梢?，只有正確設(shè)置管道參數(shù)，換能器才能安裝準(zhǔn)確，減少管道參數(shù)設(shè)置對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。

    （3）換能器安裝位置對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。換能器的安裝有反射式（V型）和直射式（Z型）兩種方式（如圖3所示）。利用Z法安裝聲速行程短，可增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。我廠用于測(cè)量進(jìn)水的兩臺(tái)流量計(jì)先后采用了兩種方式進(jìn)行安裝，Z法測(cè)量效果明顯優(yōu)于V法。

    （4）耦合劑對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。為保證和管道充分接觸，安裝換能器時(shí)需要往管道表面均勻的涂一層耦合劑，一般厚度為（2mm-3mm）。將耦合劑內(nèi)的氣泡和顆粒擠出去，使換能器的發(fā)射面緊密貼在管壁上。測(cè)量循環(huán)水的流量計(jì)多安裝在水井中，環(huán)境潮濕，有時(shí)會(huì)被水淹，如果選用一般的耦合劑，在短時(shí)間內(nèi)便會(huì)失效，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。因此，必須選用特制的防水耦合劑，耦合劑應(yīng)在有效期內(nèi)使用，一般為18個(gè)月。為保證測(cè)量準(zhǔn)確度，每18個(gè)月應(yīng)該重新安裝換能器，并更換耦合劑。

    上述表明，時(shí)差試超聲波流量計(jì)應(yīng)用于大口徑管道循環(huán)水量的測(cè)量具有明顯的*性。只有在使用前了解了儀表的性能標(biāo)準(zhǔn)及安裝要求，選擇良好的安裝位置和滿足安裝條件的管道，正確安裝、使用和維護(hù)，才能獲得滿意的應(yīng)用效果。