現(xiàn)在盛行的便攜式超聲流量計(jì)使用方便靈活，一般適用于測量大口徑管道的流量，然而現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)際測量精度，常因工作疏忽，換能器安裝距離及流通面積等測量的誤差而造成精度下降。不正確的安裝甚至?xí)沟脙x表完全不能工作。因此，儀表現(xiàn)場的安裝與調(diào)試對于測量是非常重要環(huán)節(jié)，本文就現(xiàn)場使用超聲波流量計(jì)所遇到的問題進(jìn)行分析，總結(jié)出管道流量*測量的方法。
1 超聲波流量計(jì)的原理
超聲流量計(jì)利用超聲波在流動的流體中傳播時(shí)，可以載上流體流速信息的特性，通過接收和處理穿過流體的超聲波信息就可以檢測出流體的速度，從而換算成流量。它具有下列主要特點(diǎn)：①解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠的測量困難的問題；②對介質(zhì)幾乎無要求；③測量準(zhǔn)確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響；④測量范圍度寬，一般可達(dá)20∶1。
時(shí)差法[1]測量是在被測流體內(nèi)由兩對超聲波發(fā)生器和接收器組成兩個(gè)通道，分別在順流方向和逆流方向發(fā)射超聲波脈沖，測量其傳播的時(shí)間差△t。
順流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時(shí)間為
逆流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時(shí)間為
其中：L——超聲波發(fā)射器到接收器之間的距離，也稱聲程；c——被測流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度；u——被測流體的速度。
在順流和逆流情況下超聲波的傳播時(shí)間差為
由于超聲波傳播速度c遠(yuǎn)大于流體流速u，故可認(rèn)為c2-u2≈c2，故
由上式可見：當(dāng)超聲波在靜止流體中的傳播速度可認(rèn)為常數(shù)時(shí)，流體流速就與時(shí)間差△t成正比，測量△t即可得到流速，進(jìn)而求得流量。
一般，超聲波流量計(jì)的安裝應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：①詳細(xì)了解現(xiàn)場情況；②確定安裝方式；③選擇安裝管段；④計(jì)算安裝距離，確定探頭位置；⑤管道表面處理；⑥探頭安裝及接線；⑦用示波器觀察接收波形，微調(diào)并固定探頭。
2.1 換能器[2]的安裝
（1）正確選擇安裝地點(diǎn)
一般，當(dāng)管道內(nèi)徑為D時(shí)上游直管段長度應(yīng)大于10D，下游大于5D。當(dāng)上游有泵、閥門等阻力件時(shí)，直管段長度至少應(yīng)有30～50D，有時(shí)甚至要求更高，如距泵房要求70～100m。當(dāng)采用雙聲道或多聲道測量時(shí)，表前直管段可以有明顯縮短。
不同形式阻流件應(yīng)配置的直管段長度列于表1所示。
（2）正確選擇安裝方式[3]
當(dāng)流體平行于管軸流動時(shí)，通常可用圖1中的透過法（Z法）安裝能獲得較好的精度。但當(dāng)流體流動方向與管軸不平行，存在半徑方向的速度成分時(shí)，應(yīng)采用圖1中的反射法（V法）或者采用2V法安裝。對于已配置好的流體管道，特別是測量大口徑管道流量時(shí)，由于上游流動狀態(tài)的干擾而易于造成測量誤差的場合，比較合適的措施是增加測量線，即增加超聲波的傳播路徑，更多地接受傳播路徑中的流速信息，進(jìn)行平均，以抵消流體擾動造成的測量誤差。增加測量線時(shí)，換能器的安裝應(yīng)使超聲波傳播途徑均勻地置于流通截面上。一般認(rèn)為有4條測量線（即4個(gè)換能器）就足夠了。
（3）確定安裝距離
換能器的安裝應(yīng)根據(jù)具體的測量方式依據(jù)說明書上的步驟進(jìn)行，各種測量方式下的安裝步驟略有不同，但其原理相似。下面以普遍應(yīng)用的透過法（Z法）的換能器安裝為例，說明一對換能器的安裝距離的確定方法。
一對換能器的安裝有個(gè)基本原則，稱為距離法[4]：就是發(fā)射換能器與接收換能器應(yīng)在管道的半圓平分線上（對于V法，則在同一半圓基線上），并根據(jù)實(shí)際的管道內(nèi)徑，壁厚及被測流體的性質(zhì)，參數(shù)等核算，確定兩換能器之間的軸間距離h，保證安裝時(shí)h值的準(zhǔn)確。其計(jì)算公式：
h=2δ tanθ2+D tanθ3
其中：δ——管壁厚；D——管內(nèi)徑；θ2——聲波進(jìn)入管壁中角度；θ3——聲波進(jìn)入流體中角度
目前的超聲流量計(jì)顯示儀表一般都有計(jì)算安裝距離的功能，只要將管道材料、管徑、壁厚、等管道參數(shù)，流量計(jì)就能計(jì)量出安裝距離h，然后用上述的距離法確定安裝位置。
上述距離法只能用于管道條件較好的場合。當(dāng)管道條 件不好時(shí)，如由于使用時(shí)間太長，結(jié)垢嚴(yán)重，又不知結(jié)垢（1）正確選擇安裝地點(diǎn)實(shí)際厚度，這時(shí)就很難確定安裝距離h，對于這種情況，可采用渡越時(shí)間法[5]安裝換能器。
圖1 換能器的安裝
首先將顯示儀表的靈敏度旋鈕到中間位置，然后按要求將一只換能器固定在管道的一側(cè)，將另一只換能器涂上黃油在管道的另一側(cè)沿上，下，左，右方向移動，觀察顯示儀表的循環(huán)顯示燈或數(shù)字，當(dāng)循環(huán)顯示燈亮了或有數(shù)字顯示，則微動換能器，觀察渡越時(shí)間，當(dāng)渡越時(shí)間接近所給定的數(shù)值時(shí)，停止移動換能器，此時(shí)若渡越時(shí)間的前4位數(shù)穩(wěn)定時(shí)，說明換能器已安裝好。將換能器固定好，儀表就可以正常工作了。
2.2 顯示儀表的安裝
（1）顯示儀表的安裝地點(diǎn)
顯示儀表的安裝地點(diǎn)應(yīng)選擇振動沖擊很小的位置，注意避免電磁場的影響，儀表電源應(yīng)避免引起電壓波動，使用環(huán)境溫度亦應(yīng)在說明書中的范圍之內(nèi)，除特殊密封儀表外，應(yīng)安裝在無腐蝕性的環(huán)境中。
（2）連線長度
儀表與換能器之間的連線應(yīng)用屏蔽線，連線長度按說明書要求，一般不超過500m，但在發(fā)電廠，由于干擾較大，連線長度一般不超過100m。
3 實(shí)際案例與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
為了找出影響超聲波流量計(jì)精度的因素，在測量江蘇東南鋼鐵廠排水系統(tǒng)管道流量的時(shí)候，進(jìn)行了現(xiàn)場的試驗(yàn)?？偨Y(jié)了一下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。
（1）要有足夠長的表前直管段長度（如表1所示）。
（2）管道幾何尺寸*，管內(nèi)結(jié)垢不能太厚。由流量與管徑的關(guān)系可知，管徑每存在1％的誤差，就會產(chǎn)生約3％的流量測量誤差。因此，使用超聲波流量計(jì)時(shí)，必須將壁厚測量*。
管道結(jié)垢，不但造成管徑誤差，還會使聲波發(fā)生散射，降低超聲波流量計(jì)的測量精度。結(jié)垢過厚時(shí)，儀表甚至不能工作。表2為管道結(jié)垢對流量測量的影響計(jì)算表。
對于有的管道結(jié)垢已非常嚴(yán)重，可以先把換能器拿下來，用手錘敲敲安裝換能器的部位，水垢收到震動后會局部掉落下來，再把換能器安裝在管道上測試，如果還不行，只有建議單位將測量段管道更新為不銹鋼管道。
（3）在儀表的上游的管道上設(shè)置排氣閥
輸水管道中有空氣是普遍存在的問題，源水管道中氣體含量更大。管道中的氣體占據(jù)管道有效截面積，使流量測量產(chǎn)生誤差。如果管道中氣體過多，會使超聲波發(fā)生散射而使儀表不能工作。因此，在儀表上游安裝排氣閥是必要的。
排氣閥的位置應(yīng)安裝在儀表上游30D以上處，每隔一定時(shí)間就應(yīng)排氣一次。在東南鋼鐵廠DN600和DN900兩管道做試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在沒有安裝排氣閥時(shí)，流量計(jì)約多計(jì)水量9％～10％。
（4）管道中的流體沒有充滿管道
當(dāng)換能器在管道上安裝好后，流量計(jì)接收的強(qiáng)度信號在熒幕上仍沒有顯示，而其他預(yù)顯程序正常時(shí)，說明管道中流體沒有充滿管道。
4 結(jié)束語
通過對基本原理的了解和現(xiàn)場試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，再次對東南鋼鐵廠的排水系統(tǒng)測量流量，通過與已校準(zhǔn)的在線流量計(jì)的對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮了以上干擾精度的因素和采用合適的安裝方法后，測量精度由*次的±1.67％提高到±0.81％，滿足了測試精度的要求。
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