超聲波流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束(或超聲脈沖)的作用以測(cè)量流量的儀表。 

根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法(直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。

超聲流量計(jì)和電磁流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬*流量計(jì)，是適于解決流量測(cè)量困難問(wèn)題的一類流量計(jì)，特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，它是發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。

超聲波流量計(jì)是一種非接觸式儀表，它既可以測(cè)量大管徑的介質(zhì)流量也可以用于不易接觸和觀察的介質(zhì)的測(cè)量。它的測(cè)量準(zhǔn)確度很高，幾乎不受被測(cè)介質(zhì)的各種參數(shù)的干擾，尤其可以解決其它儀表不能的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問(wèn)題。

現(xiàn)今所存在的缺點(diǎn)主要是可測(cè)流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測(cè)流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國(guó)只能用于測(cè)量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計(jì)的測(cè)量線路比一般流量計(jì)復(fù)雜。這是因?yàn)?，一般工業(yè)計(jì)量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m/s左右，被測(cè)流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10－3數(shù)量級(jí)．若要求測(cè)量流速的準(zhǔn)確度為1%，則對(duì)聲速的測(cè)量準(zhǔn)確度需為10-5～10-6數(shù)量級(jí)，因此必須有完善的測(cè)量線路才能實(shí)現(xiàn)，這也正是超聲波流量計(jì)只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實(shí)際應(yīng)用的原因。

超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算。這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。

超聲波流量計(jì)換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動(dòng)。薄片直徑超過(guò)厚度的10倍，以保證振動(dòng)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，需把元件放入聲楔中，構(gòu)成換能器整體(又稱探頭)。聲楔的材料不僅要求強(qiáng)度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機(jī)玻璃，因?yàn)樗该?，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。

◆*的信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)，使儀表測(cè)量信號(hào)更穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、計(jì)量更準(zhǔn)確。

◆無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件不容易損壞，免維護(hù)，壽命長(zhǎng)。

◆電路更優(yōu)化、集成度高；功耗低、可靠性高。

◆智能化標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，人機(jī)界面友好、多種二次信號(hào)輸出，供您任意選擇。

◆管段式小管徑測(cè)量經(jīng)濟(jì)又方便，測(cè)量精度高。

超聲波流量計(jì)常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測(cè)。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。

超聲波流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)如下：

安裝方式：掛墻式

流速范圍：0~5m/s

準(zhǔn)確度：測(cè)量值的±1%

重復(fù)性：0.2%

鍵盤(pán)：16（4×4）輕觸按鍵

顯示屏：20×2點(diǎn)陣字符背光液晶顯示

電源：10~36VDC/1Amax

外殼材質(zhì)：PC/ABS塑料

防護(hù)等級(jí)：IP65

環(huán)境溫度：-10℃~+50℃

輸出：頻率輸出0-5kHz，OCT方式：4-20mA輸出

通訊：RS-485通訊接口，支持Modbus協(xié)議

特點(diǎn)：

可做非接觸式測(cè)量

無(wú)流動(dòng)阻撓測(cè)量,無(wú)壓力損失

可測(cè)量非導(dǎo)電性液體

適用口徑: DN6-DN6500適用溫度: -30 to 400℃ (適用防爆區(qū)).測(cè)厚探頭（可選）測(cè)量范圍: (1.0 - 200) mm分辨率: 0.01 mm線性度: 0.1 mm標(biāo)準(zhǔn)型: -20℃ to +60℃高溫型: 0℃ to +200℃短時(shí)間可達(dá)+540℃應(yīng)用領(lǐng)域

量程比寬，用途廣泛

多種功能主機(jī)，攜帶方便

下載測(cè)量值/記錄, 圖形顯示, 格式轉(zhuǎn)換操作系統(tǒng): WindowsTM ；過(guò)程輸出(可選)輸出與主設(shè)備電隔離輸出組數(shù)視輸出類型而定. 電流范圍: (0/4-20) mA精度: 0.1%讀數(shù)± 15μA有源輸出: Rext < 500??無(wú)源輸出: Uext < 24V, Rext < 1k??電壓范圍: (0~1) V或(0~10) V精度: 0~1V: 0.1%讀數(shù)± 1mV0~10V: 0.1%讀數(shù)± 10mV儀表阻抗: Ri = 500??頻率范圍: 0~1kHz或0~10kHz集電極開(kāi)路: 24 V/4mA開(kāi)關(guān)量集電極的開(kāi)路: 24 V/4mA干簧繼電器: 48 V/0.1A功能,如狀態(tài)輸出: 上下限, 符號(hào)變化或出錯(cuò)脈沖輸出： 值: (0.01~1000)units寬度: (80~1000)ms過(guò)程輸入(可選)輸入與主設(shè)備電隔離, 最多4組輸入.溫度類型: Pt100, 四線制范圍: -50℃~400℃分辨率: 0.1 K精度: ± (0.02K + 0.1%讀數(shù))電流范圍: 有源: (0~20)mA無(wú)源: (-20~20)mA精度: 0.1%讀數(shù)± 10 A有源輸入: Ri = 50??無(wú)源輸入: Uext < 24V, Rext < 1k??電壓范圍: (0~1) V或(0~10) V精度: 0~1V: 0.1%讀數(shù)± 1mV0~10V: 0.1%讀數(shù)± 10mV儀表阻抗: Ri= 1M夾裝式探頭

 

超聲波流量計(jì)正確選型才能保證超聲波流量計(jì)更好的使用。選用什么種類的超聲波流量計(jì)應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體介質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)來(lái)決定，使超聲波流量計(jì)的通徑、流量范圍、襯里材料、電極材料和輸出電流等都能適應(yīng)被測(cè)流體的性質(zhì)和流量測(cè)量的要求。

1、精密功能檢查

精度等級(jí)和功能根據(jù)測(cè)量要求和使用場(chǎng)合選擇儀表精 度等級(jí)，做到經(jīng)濟(jì)合算。比如用于貿(mào)易結(jié)算、產(chǎn)品交接和能源計(jì)量的場(chǎng)合，應(yīng)該選擇精度等級(jí)高些，如1.0級(jí)、0.5級(jí)，或者更高等級(jí); 用于過(guò)程控制的場(chǎng)合，根據(jù)控制要求選擇不 同精度等級(jí);有些僅僅是檢測(cè)一下過(guò)程流量，無(wú)需做精確控制和計(jì)量的場(chǎng)合，可以選擇精度等級(jí)稍低的，如1.5級(jí)、2.5級(jí)，甚至 4.0級(jí)，這時(shí)可以選用價(jià)格低廉的插入式超聲波流量計(jì)。

2、可測(cè)量的介質(zhì)

測(cè)量介質(zhì)流速、儀表量程與口徑 測(cè)量一般的介質(zhì)時(shí)，超聲波流量計(jì)的滿度 流量可以在測(cè)量介質(zhì)流速0.5—12m/s范圍內(nèi) 選用，范圍比較寬。選擇儀表規(guī)格(口徑)不一 定與工藝管道相同，應(yīng)視測(cè)量流量范圍是否，在流速范圍內(nèi)確定，即當(dāng)管道流速偏低，不能滿足流量?jī)x表要求時(shí)或者在此流速下測(cè)量準(zhǔn) 確度不能保證時(shí)，需要縮小儀表口徑，從而提 高管內(nèi)流速，得到滿意測(cè)量結(jié)果。

管段式傳感器參數(shù)

 

當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí)，液體的流動(dòng)將使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化，并且其傳播時(shí)間的變化正比于液體的流速，其關(guān)系符合下列表達(dá)式

其中

θ為聲束與液體流動(dòng)方向的夾角

M 為聲束在液體的直線傳播次數(shù)

D 為管道內(nèi)徑

Tup 為聲束在正方向上的傳播時(shí)間

Tdown為聲束在逆方向上的傳播時(shí)間

ΔT=Tup –Tdown

設(shè)靜止流體中的聲速為c，流體流動(dòng)的速度為u，傳播距離為L(zhǎng)，當(dāng)聲波與流體流動(dòng)方向一致時(shí)（即順流方向），其傳播速度為c+u；反之，傳播速度為c-u.在相距為L(zhǎng)的兩處分別放置兩組超聲波發(fā)生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2）。當(dāng)T1順?lè)较?，T2逆方向發(fā)射超聲波時(shí)，超聲波分別到達(dá)接收器R1和R2所需要的時(shí)間為t1和t2,則

t1=L/(c+u)； t2=L/(c-u)

由于在工業(yè)管道中，流體的流速比聲速小的多，即c>>u,因此兩者的時(shí)間差為 ▽t=t2-t1=2Lu/cc 由此可知，當(dāng)聲波在流體中的傳播速度c已知時(shí)，只要測(cè)出時(shí)間差▽t即可求出流速u(mài)，進(jìn)而可求出流量Q。利用這個(gè)原理進(jìn)行流量測(cè)量的方法稱為時(shí)差法。此外還可用相差法、頻差法等。

如果超聲波發(fā)射器發(fā)射連續(xù)超聲脈沖或周期較長(zhǎng)的脈沖列，則在順流和逆流發(fā)射時(shí)所接收到的信號(hào)之間便要產(chǎn)生相位差▽O,即▽O=w▽t=2wLu/cc

式中，w為超聲波角頻率。當(dāng)測(cè)得▽O時(shí)即可求出u,進(jìn)而求得流量Q。此法用測(cè)量相位差▽O代替了測(cè)量微小的時(shí)差▽t，有利于提高測(cè)量精度。但存在者聲速c對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

為了消除聲速c的影響，常采用頻差法。由前可知，上、下游接收器接受到的超聲波的頻率之差為▽f可用下式表示 ▽f=[（c+u）/L]-[(c-u)/L]=2u/L

由此可知，只要測(cè)得▽f就可求得流量Q，并且此法與聲速無(wú)關(guān)。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、沒(méi)測(cè)量水位概況

水電站多采用浮子式液位計(jì)或投入式液位計(jì)來(lái)進(jìn)行水位測(cè)量。其缺點(diǎn)為：測(cè)量精度低，不可靠，經(jīng)常出現(xiàn)浮子卡死不動(dòng)和傳感器堵塞導(dǎo)致測(cè)不準(zhǔn)；維護(hù)工作量大，安裝、調(diào)試不便，采集到的僅是模擬告警信號(hào)，不能直接進(jìn)入電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)無(wú)人值班電廠不實(shí)用。

通過(guò)對(duì)攔污柵水位測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)對(duì)比，優(yōu)化得出最后的方案設(shè)計(jì)，采用超聲波液位計(jì)對(duì)柵前、柵后水位進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，超聲波液位計(jì)用PLC對(duì)采集量進(jìn)行處理。并且把實(shí)時(shí)水位和壓差數(shù)據(jù)送到中控室，超聲波液位計(jì)顯示和越限報(bào)警。超聲波液位計(jì)同時(shí)采用RS422/RS232接口，又把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送到大壩集中控制室工控機(jī)，處理成計(jì)算機(jī)通信報(bào)文，最終將采集量送到電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)。

該項(xiàng)目實(shí)施后不僅滿足欄污柵柵前、柵后水位及壓差的多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及報(bào)警功能，而且結(jié)束了攔污柵測(cè)量系統(tǒng)獨(dú)立工作，無(wú)法與電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通訊的局面。實(shí)現(xiàn)與閘門(mén)系統(tǒng)的監(jiān)視功能、控制功能以及故障時(shí)ON-CALL尋呼系統(tǒng)功能的集成。滿足了無(wú)人值班電站的需要。

超聲波液位計(jì)工作時(shí)，高頻脈沖聲波由換能器（探頭）發(fā)出，遇被測(cè)物體（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一換能器（探頭）接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。脈沖發(fā)送和接收之間的時(shí)間（聲波的運(yùn)動(dòng)時(shí)間）與換能器到物體表面的距離成正比，聲波傳輸?shù)木嚯xS和聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系可以用公式表示：S=　CⅩT/2

例如：聲速C=344m/s，傳輸時(shí)間為50ms，即可算出傳輸?shù)木嚯x為17.2m，測(cè)定距離為8.6m。

三．可編程超聲波式攔污柵水位測(cè)量系統(tǒng)在田壩電站應(yīng)用產(chǎn)生的效果

用超聲波液位計(jì)測(cè)量大壩水位在當(dāng)今國(guó)內(nèi)尚不普遍，技術(shù)上尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。在這樣的情況下，我們充分利用PLC與超聲波液位計(jì)這一領(lǐng)域的技術(shù)，按照總體規(guī)劃，長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，一次到位，避免重復(fù)改造，重復(fù)投資的這一原則，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行自行設(shè)計(jì)，全面順利地完成了這一課題。在該領(lǐng)域取得了較有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。為目前我國(guó)國(guó)內(nèi)水電站實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一個(gè)可以借鑒的范例。

 

超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)就載上流體流速的信息。因此通過(guò)接收到的超聲波就可以檢測(cè)出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)檢測(cè)的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計(jì)。超聲波流量計(jì)是近十幾年來(lái)隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開(kāi)始應(yīng)用的一種

非接觸式儀表，適于測(cè)量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計(jì)聯(lián)動(dòng)可進(jìn)行敞開(kāi)水流的流量測(cè)量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測(cè)量元件故不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運(yùn)行因而是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)。

工業(yè)流量測(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量困難的問(wèn)題，這是因?yàn)橐话懔髁坑?jì)隨著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來(lái)制造和運(yùn)輸上的困難，造價(jià)提高、能損加大、安裝不僅這個(gè)缺點(diǎn)，超聲波流量計(jì)均可避免。因?yàn)楦黝惓暡髁坑?jì)均可管外安裝、非接觸測(cè)流，儀表造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無(wú)關(guān)，而其它類型的流量計(jì)隨著口徑增加，造價(jià)大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計(jì)比相同功能其它類型流量計(jì)的功能價(jià)格比越*。被認(rèn)為是較好的大管徑流量測(cè)量?jī)x表，多普勒法超聲波流量計(jì)可測(cè)雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測(cè)量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量水輪機(jī)進(jìn)水量、汽輪機(jī)循環(huán)水量等大管徑流量，比過(guò)去的皮脫管流速計(jì)方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測(cè)量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。

另外，超聲測(cè)量?jī)x表的流量測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測(cè)量?jī)x表，故可解決其它類型儀表所難以測(cè)量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問(wèn)題。另外，鑒于非接觸測(cè)量特點(diǎn)，再配以合理的電子線路，一臺(tái)儀表可適應(yīng)多種管徑測(cè)量和多種流量范圍測(cè)量。超聲波流量計(jì)的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計(jì)具有上述一些優(yōu)點(diǎn)因此它越來(lái)越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場(chǎng)合和不同管道條件的流量測(cè)量。