1.超聲波流量計的分類及特點
根據工作原理分類超聲波流量計的測流原理,有傳播速度差法、多普勒法、聲束偏位法和聽音法等。但用得較多的是傳播速度差法、多普勒法。
1.1速度差法
速度差法包括直接時差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測量超聲波脈沖順水流和逆水流時速度之差來反映流體的流速,從而測出流量。
速度差法的優點是測量精度高,應用范圍廣,但它不適用于含有大量氣泡或固體顆粒的流體。多普勒法?；驹韯t是應用聲波中的多普勒效應測得順水流和逆水流的頻差來反映流體的流速從而得出流量。多普勒法的優點是能測含有大量氣泡或固體顆粒的流體。但其精度較低。
1.2根據聲道結構型式分類
目前應用比較多的傳播速度差法超聲波流量計中,按其聲道布置方式又可分為單聲道超聲波流量計和多聲道超聲波流量計。
1.2.1單聲道超聲波流量計
在被測管道上只有由一對換能器構成的一個聲波通道,可以使用各種換能器,但應用比較多的是外夾式和外插式換能器。單聲道結構簡單、使用方便、價格便宜。當管道條件比較好時也能達到比較好的測量精度。但這種流量計對流態分布變化敏感,測量精度不宜控制。一般用于中小口徑管道和對測量精度要求不高的場合。
1.2.2多聲道超聲波流量計
在被測管道上由多對超聲波換能器構成多個聲波通道,綜合各聲道測量結果求出流量。和單聲道流量計比,測量精度高,對流態分布變化適應能力強,可用于大口徑和流態分布復雜的管道。結構比單聲道復雜,價格也較貴。在多聲道超聲波流量計中,根據其聲道是否通過管軸又可分為過軸多聲道流量計和平行多聲道流量計。過軸多聲道流量計可使用外夾式換能器,用算術平均法求流量。裝置比較簡單,但測量精度易受流態分布和管壁條件影響。平行多聲道超聲波流量計只能使用外插式或內帖式換能器,用加權積分法求流量,能適應各種流道的流量測量,精度高。為了解決流態分布復雜的大口徑管道的流量測量產生了平行八聲道流量計,它由相互交叉的兩個四聲道測量斷面構成。
1.3根據被測流道類型分類
根據適用的被測流道不同可分為管道流量計、管渠流量計和河流流量計。
1.3.1管道用超聲波流量計
是指用于有壓管道測流的流量計,其中也包括有壓的各種形狀斷面的涵洞。這種流量計是通過一個或多個聲道測量流體中的流速,然后求得流量。
1.3.2管渠超聲波流量計
管渠系指無壓管道,有時流體不能充滿管道。用于管渠的超聲波流量計除了要具有測流速的換能器以外,還需要有測水位的換能器,根據測得的流速水位求流量。管渠超聲波流量計的測量精度比管道超聲波流量計低。明渠系指有規則斷面的渠道。用于明渠流量測量的超聲波流量計和管渠流量計相似,即測流速又測水位。綜合兩方面結果求流量。名渠流量計一般含有多個測速換能器和一個測水位換能器。
1.3.3河流用超聲波流量計
河流和明渠的區別在于,明有規則的斷面而河流沒有。另外河流一般比明渠更寬闊。由于河流斷面形狀各異,流量計制造廠不便建立流量積分公式。因此多數的河流超聲波流量計僅測流速和水位。
1.4根據使用的換能器類型分類
超聲波流量計可以配多種型式的超聲波換能器。按使用場合不同有管道用換能器、明渠用換能器和河流用換能器。其中管道用換能器,根據其在管道的不同安裝方式又分為:外夾式、外插式、內帖式和窗戶式
1.4.1外夾式換能器
這種換能器由專門的夾裝固定在管道外壁上,超聲波透過管壁折射到流體中。夾裝式換能器可用于單聲道和過軸多聲道超聲波流量計上,但不能用于平行多聲道流量計。外夾式換能器結構簡單、安裝方便、價格便宜。但由于超聲波要穿過幾道介質才能射入被測流體中,因此測量精度受外界條件影響大。另外,還由于聲路參數無法精確測量,因此使用外夾式換能器的超聲波流量計測量精度較低。
1.4.2外插式換能器
外插式換能器穿過管壁直接和被測流體接觸,它可用于各種聲道結構的流量計。為了密封以及裝卸換能器時不影響管道的正常工作,在管壁上裝有帶球閥的換能器座。外插式換能器發出的超聲波不經過管壁和其他介質直接射入被測流體,聲能損耗少,聲道參數能精確測量,測量精度高。這種換能器能方便地排除水垢或水生物對超聲波流量計工作的影響。外插式換能器直接承受被測流體的壓力,要求有良好的密封性能。換能器結構比較復雜,工藝要求高。此外外插式換能器的現場安裝比外夾式要復雜。
1.4.3窗戶式換能器
窗戶式換能器類似于外夾式換能器,也需要在管壁上開孔安裝,并需專門的換能器座。但是外插式換能器座是貫通的,換能器直接接觸被測流體,而窗式換能器座在內側裝有隔離玻璃,將換能器和被測流體隔離。因此換能器不承受壓力,結構簡單,價格也較便宜。窗式換能器的價格介于外插式和外夾式中間
1.4.4內帖式換能器
內帖式換能器是專為沒有安裝空間(全埋設管)或管壁即不透聲又不能開孔的管道設計的。內帖式換能器是通過專門的換能器座固定在管道的內壁上,其信號電纜通過穿纜器引至管外。該換能器具有外插式換能器同樣的測量精度,即可用于圓管道也可用于方形涵洞,這種換能器的缺點是檢修和更換比較困難,需中斷管道的正常工作到管內進行。為了減少這方面的損失,換能器做成雙備用的,當其中一個壞了時,可以在管外換接另一個。
1.4.5明渠式換能器
明渠式換能器一般都做成潛水式,換能器的工作頻率隨渠道寬度由高到低變化。高的可達1MHz,低的僅100KHz。明渠用換能器包括測速換能器和水位換能器,在多數情況下,流速和水位可用同種換能器測量。也有專門設計的水位換能器,并有裝于水下或水上兩種型式。
1.4.6河流用換能器
河流換能器和明渠換能器沒有明顯的區別,由于河流比明渠更寬大,河流換能器一般都是低頻的有源換能器,接收的信號經內部放大后在到流量計電子箱上。
2.如何選擇超聲波流量計
超聲波流量計品種比較多,性能不同,各有使用范圍。因此在選擇時,應該根據現場流道的具體情況和使用要求,正確選擇。在選擇時應該考慮以下幾方面因素:
2.1被測流體性質
是水還是其他流體,若是其他流體要搞清粘度系數和透射聲波的能力。不管是什么流體都要搞清其中是否含氣泡和固體微粒及含量多少。對于固體
微粒和氣泡含量大的流體,應選用多普勒型超聲波流量計,否則應選用傳播速度差式流量計。
2.2流道條件及其對測量精度的要求
對于管道、管渠、明渠和河流應選擇相應的流量計。對于有很長平直段的流道或對測量精度要求不高的場合,可以選用較少聲道數的流量計。但是,對于明渠當測量精度要求達到2%以上,對大口徑管道當測量精度要求達到1%時,一般要選用多聲道流量計。對于平直段短的明渠或大口徑管道,往往要采用8聲道才能達到較高的測量精度。對于有很長直管段的小口徑管道,可考慮選用單聲道或過軸多聲道超聲波流量計。但是使用夾裝式換能器的超聲波流量計,由于其換能器安裝有許多不確定因素,當現場不能進行精度測定時,其測量精度是不確切的。對于明渠、管渠和河流的流量測量要選用帶水位測量功能的超聲波流量計。
2.3流量計的使用目的和功能要求
用于固定場所流量監測或收費計量的流量計,應具有確切的測量精度和不因停電而消失的累積流量記錄功能,還要有長期連續運行的能力。一般要選用平行多聲道或帶標準測量管段的單聲道超聲波流量計。流量計的存儲單元應具有停電后也能保持測量結果的能力。對于簡單的流量計也可采用機械式記數器來記錄累積流量。對測量精度要求不高移動使用的超聲波流量計,可選用帶外夾式換能器的便攜式流量計。用于壓力管道漏水監測的超聲波流量計,只要求有較好的相對測量精度即可,而不要求其絕對測量精度。
3.結束語
超聲波流量計的種類很多,應用也很廣泛,在流量測量方面發揮著越來越重要的作用,而且其技術更新很快,不斷有新型的超聲波流量計推向市場,走向用戶。只有把握超聲波流量計的發展方向,才能更好地了解應用,更好地服務于生產和計量工作。