工控摘要：超聲波在流體中傳播時其傳播速度要受到流體流速的影響，通過測量超聲波在流體中傳播速度可以檢測出流體的流速而換算出流量。

1、時差法超聲波流量計的原理及特點

超聲波在流體中傳播時其傳播速度要受到流體流速的影響，通過測量超聲波在流體中傳播速度可以檢測出流體的流速而換算出流量。傳感器常見的有Z法、V法、W法三種安裝方式，如圖1所示。

圖1超聲波流量計傳感器的安裝示意圖
 

1.1時差法超聲流量原理

時差法超聲波流量計在安裝中，傳感器按Z法安裝時超聲波信號強度高，測量的穩(wěn)定性較好，應(yīng)用較普遍，本文以Z法安裝為例進(jìn)行說明。

時差法超聲流量計是在被測流體內(nèi)，由超聲波發(fā)射器和接收器分時在順流方向和逆流方向發(fā)射超聲波脈沖，順流方向超聲波的傳播速度會增大、逆流方向會減小。通過測量順流與逆流的時間差，再利用傳播速度之差與被測流體流速之間的關(guān)系求出流速，進(jìn)而得出流量 ，原理如圖2所示：

圖2時差法超聲波流量計原理示意圖圖

1.2時差法超聲波流量計的計算推導(dǎo)

根據(jù)流體運動學(xué)及聲學(xué)原理，超聲波流量計的測量式為：

式中：

Q-液體流量；

θ-超聲波傳播方向與液體流向的夾角；

△t=t1-t2超聲波順流傳播時間

t1-沿順流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時間；

t2-沿逆流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時間。

由公式可以得出：管道流體的流速與超聲波順流逆流的時間差△成正比，測量出時間差△t就可求出流體速度，根據(jù)流體速度和管道截面積便可得到液體流量。

2超聲波流量計的測量誤差成因及改進(jìn)措施

時差式超聲波流量計的測量精度受到以下幾個方面因素影響。

2.1管道內(nèi)部因素引起的誤差

1）液體密度的影響。工業(yè)鍋爐能效測試中，對固體燃料鍋爐的測試時間zui低要求是兩個工況，共8h。液體溫度隨環(huán)境溫度而變化，密度也隨之變化。時差法超聲波流量計在測量之前，要人為設(shè)定被測液體的密度值。這就形成被測液體密度的真實值和設(shè)定值之間存在一定的差距，顯示值和真實值之間也由此產(chǎn)生測量誤差 。因此在工業(yè)鍋爐測試過程中，應(yīng)采用管道保溫、儲水罐保溫等措施，減少測試過程中給水的溫差。

2）折射和散射的影響。超聲波流量計的測量是

利用聲學(xué)中的反射原理，但受管道材質(zhì)、內(nèi)表面粗糙情況的影響，超聲波在管道壁面處會形成折射和散射，超聲波信號受到干擾。因此進(jìn)行能效測試的鍋爐在安裝過程中，應(yīng)選用內(nèi)壁光滑、無彎曲、無變形的鋼管做給水管， 以減少超聲波在管內(nèi)折射和散射的來源。

3）流體速度的影響。時差法超聲波流量計的理論計算公式是設(shè)定管道內(nèi)的流速均勻分布，而管道內(nèi)流體的流速分布不均勻，包含湍流與層流，因此會引起相應(yīng)的測量誤差。在工業(yè)鍋爐能效測試中，應(yīng)選用能穩(wěn)定給水的泵， 同時應(yīng)保持鍋爐壓力穩(wěn)定，以避免壓力的波動帶來管道內(nèi)水流的變化。

2．2管道外部因素引起的誤差

1）直管段的影響。由于傳感器測定的是流體線速度，流體流速均勻時測量精度較高， 因此在工業(yè)鍋爐能效測試過程中，應(yīng)保證超聲波流量計入口前和出口后有足夠的直管段，要求上游直管段長度不小于1O倍管徑，下游不小于5倍管徑。如受鍋爐房條件限制，無法滿足上述要求，則可以采用高壓金屬軟管或者重新焊接旁通管路等方式，保證直管段長度，降低測量誤差。

2）管道震動的影響。鍋爐的給水泵、控制閥門、管道彎頭、上煤系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)等引起的震動會對超聲波流量計的測量精度產(chǎn)生影響，進(jìn)而引起誤差。在能效測試過程中，多次發(fā)生因管道震動而使超聲波流量計誤差增大甚至產(chǎn)生虛假顯示的情況。因此在安裝超聲波流量計時首先應(yīng)遠(yuǎn)離噪聲來源地，其次可選用震動較小的泵來減小管道震動，另外也可在超聲波流量計前直管段與給水泵之間、后直管段與鍋爐之間采用高壓金屬軟管連接，如圖3所示。

圖3高壓金屬軟管連接示意圖

3）傳感器的安裝質(zhì)量影響。管道中的氣泡會反射或衰減超聲波信號，給測量帶來誤差。氣泡一般存在于管道的上方， 因此傳感器一般采用與水平面成45。角位置安裝，使管道內(nèi)充滿流體，降低氣泡對超聲波信號的影響。

4）信號強度的影響。在安裝超聲波流量計的傳感器時，要打磨管道表面，均勻涂抹耦合劑，傳感器表面和管道表面要緊密貼合，使超聲波流量計具有較高的信號強度，減少測量誤差。

經(jīng)過多次現(xiàn)場實驗，并與其他類型流量計進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，超聲波流量計受安裝條件影響較大，多次出現(xiàn)雖然達(dá)到了允許測量的信號強度，但測試數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)卻不符的情況，這將嚴(yán)重影響鍋爐的計算熱效率。因此在使用過程中，在嚴(yán)格按照要求安裝傳感器的同時，還應(yīng)采用其他測量方式進(jìn)行同步對比分析，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和嚴(yán)密性。

3結(jié)論

根據(jù)目前的技術(shù)水平，超聲波流量計的優(yōu)點和不足并存。在工業(yè)鍋爐能效測試中，較大的誤差會給測試機構(gòu)和現(xiàn)場測試人員提供虛假信息，使其無法判斷鍋爐是否處于穩(wěn)定狀態(tài)、是否滿足能效測試要求，嚴(yán)重的甚至?xí)斐慑仩t缺水等安全事故，因此必須盡量降低誤差，保證工業(yè)鍋爐能效測試的順利進(jìn)行。