超声波流量计篇(1)

关键词：天然气；超声波流量计量技术；应用

相对于传统技术技术新型天然气超声波计量技术具有更高的准确度，但是这种计量技术的计量结果也会受到一定因素的影响，为了保证获得准确的计量结果本文将对影响计量结果的因素进行分析，并且探讨实际运用中应当注意的问题。

一、天然气流量计量中气体超声波流量计的应用

天然气流量计量主要是通过多参数测量实现的，并且还需要设置相应的流量比对装置以确保测量的准确性。为了进一步保证实验数据的准确性和有效性，将一套标准孔板流量计与气体超声波流量计进行串联运行。选用的气体超声波流量计为四声道，具有300mm内径，流量范围是240~6405m3/h。

（一）气体超声波流量计准确度与超声的关系

表1阀门1控制流量、阀门2全开时气体超声波流量计的运行气体超声波流量计测量准确度会受到被测介质内部噪声的影响。如果采用气体超声波流量计这种方法来控制流量的大小，那么其节流的声音与流量的增加是成正比的关系，标准孔板流量计与气体超声波流量计之间的相对误差就会加大，这就会发生这两种流量计所计算出来的流量严重不相符。当阀门1全部打开的时候，在阀门2控制流量大小的情况下，气体超声波流量计的信噪会相对比较大，标准孔板流量计和气体超声波流量计之间则会具有相对固定的误差。实验数据如表1和表2。根据表1和表2可知，如果由上游阀门1节流，气体超声波流量计信噪就会比上游阀门全开时低，这是因为当上游阀门在进行节流的过程中，人类无法听到的高频声波和人类可以听到的声音将会同时产生，如果声波频率与气体超声波流量计量的工作频率无限度相似的时候，那么就会造成气体超声波流量计信噪比的减小，这样流量计的测量准确度就会受到影响。

（二）气体超声波流量计与流态的关系

根据GB/T18604-2001《用气体超声博流量计测量天然气流量》中的相关规定，气体超声波流量计的上游直管段至少具有10D、下游直管段至少具有5D，其目的就是确保符合对称紊流速度分布要求的天然气流态可以进入流量计。空间弯头和计量管路中阀门对天然气的速度分布会有直接影响，从而使测量的准确度有所降低。气体超声波流量计的升到分布示意图如图3，四个声道沿管道横截面由上至下分布。管道中气体的平均流速可以通过气体超声波流量计加权平均各个声道测得的流速获得。在阀门1节流、阀门1全开测得的气体流态在管道中分布情况如表3和表4所示。根据图1、表4、表5可知，在阀门1节流的情况下，通过超声波A、D声道流速大于B、C通道流速可知，天然气在管道中的流速分布不均匀程度会随着流量增大而增大。随着流量的增大管道内气体的分布逐渐代替分布，换句话说，管道中心气体的流速小于管道壁的气体流速，当全部打开上游气流的阀门的时候，不会阻挡气流，管道内的气体流速不会随着流量的增加而产生较大的变化。当闸阀没有完全开启的时候，天然气的经过会受到阀门闸板的阻挡，产生不对称的旋转气流，这实际上是漩涡流的发展前兆。

（三）气体超声波流量计与气质的关系

气体超声波流量计在我国发展较晚，所以还没有在真正全面认识其实际工作性能。一般情况下来讲，在进行气体超声波流量计的过程中，对其气质条件并没有严格的要求，工业环境下可以实现气体的大多数清洁均质液体或不含大浓度悬浮粒子的流量测量。在用气体超声波流量计测量天然气的过程中，如果天然气当中含有大量的粉尘、雾状液滴和饱和水蒸气的时候，就应该充分考虑到气质条件可能带来的影响。最初，笔者发现相较于标准孔板流量计这种方法而言，气体超声波流量计的流量测量结果相对偏高。通过对气体超声波流量计进行诊断的过程中发现，处于非工作状态下的D声道很容易被饱和天然气所凝析出来的液体淹没，从而影响了换能器的正常运作。当排除积存在管道内的液体的时候，超声波流量计就可以恢复正常的工作状态。在一个声道发生故障时多声道气体超声波流量计能够实现自动补偿运算，进而造成流量计的流量输出略高于正常情况。能够影响气体超声波流量计工作性能的还包括天然气中的粉尘，例如当上游某个气体处理厂没有正常开机时，分子筛中的粉尘会随着气体超声波流量计的工作流程而带入进来，这样就很容易在底部的换能器处造成粉尘堆积的现象，影响气体超声波流量计的正常运转。

二、应用气体超声波流量计时应当重视的问题

（一）科学选型

一般情况下，型号不同的流量计，其测量的范围也是不同的，实际生产生活中涉及到的超声波流量计的测量范围都较为宽广，最大流量通常是最小流量的三十倍。利用测量天然气的流速确定天然气流量是气体超声流量计的工作原理，2.7~27m/s是其理想的工作范围，气体超声波流量计要想保证检测准确度就应当将工作流速控制在这个范围内。如果天然气流量比气体超声波流量计的流量拐点低时，就会在一定程度上降低气体超声波流量计的准确性，造成增大误差的后果。而在天然气流速过高的情况下，超声波信号无法被换能器检查到，进而造成计量故障问题。因此，进行超声波气体流量计选型时，应当正确掌握管道中天然气的流速，防止超底限或超高限运行情况的产生。选择气体超声波流量计时，还应当对是否存在声波干扰源进行充分考虑，其中主要指的是消音设备、大压差减压设备、高速度等能够产生超声波信号的设备。人们耳朵能够听见的声波通过消音设备能够转化为听不到的声波，一旦气体超声波流量计工作频率接近消音设备的超声波频率或减压设备的超高频噪声，那么超声波流量计就会无法正常工作。所以应当尽量避免在能够产生影响流量计声波场合，安装和选用气体超声波流量计[1]。

（二）严格安装

设置气体超声波流量计上下游直管段的过程中，应当充分执行相应标准，其中上游直管段和下游直管段应当分别大于10D和5D，并且还应当安装流动调整器解决安装条件受测量现场限制的问题。同时安装气体超声流量计时应当保持水平方向，这样就能够有效测量含液较多的天然气，还要严格根据技术要求进行气体超声波流量计和计量管段的安装，以保证气流就能够将天然气凝析出来的液体带走，防止超声波流量计存在液体堆积问题。如果固体粉尘含量较大额天然气，就应当将在上游直管段加设过滤器，避免因换能器表面堆积沉积物而产生故障[2]。

（三）科学维护

在使用气体超声波流量计的过程中，需要进行维护的情况少之又少，但如果计量气体气质较差那么就需要对气体超声波流量计的换能器进行及时清洗，并对换能器表面是否存在水沟和杂质进行检查。同时还应当关注有无泄漏存在于气体超声波流量计的各连接件中，链接线路是否正常以及检测零流量是否准确等等。

（四）定期诊断测试

一旦气体超声波流量计产生流量突变的情况，就应当运用其他与气体超声波流量计串联运行的流量计进行比对校核，确定显示天然气流量变化的真正原因。对于没有其他流量计作比对的情况，就应当通过气体超声波流量计的诊断软件对各个换能器的工作参数进行全面检查，进而了解异常参数值是否存在。对于使用超声波流量计较多的情况，应当将便携外夹式超声波流量计作为首选，这样能够随时校核固定安装的超声波流量计[3]。

结束语：

新型天然气超声波流量计量技术作为一项先进的技术，已经得到人们的广泛认可和运用。但是在实际运用过程中仍然要充分考虑影响计量过程的相关因素，并通过采取相应的措施获得最准确的计量结果。

参考文献：

[1]申思,申云廷.超声波在天然气流量计量中的应用[J].城市燃气,2014,(09):11-15.

[2]李慧青.气体超声波流量计在天然气流量计量中的应用研究[J].内江科技,2014,(06):85.

超声波流量计篇(2)

【关键词】超声波流量计;MOS场效应管驱动器;高速模拟切换开关

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声波用于测量流体的流速有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。超声波流量计的测量方法有时差法、多普勒效应法、波束偏移法等、其中时差法的电路最为简单、使用也最为广泛。

1.时差法超声波流量计的原理

时差法超声波流量计其工作原理如图1所示。它是利用一对超声波换能器相向交替收发超声波、通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，其关系符合下面表达式：

（1）

其中：θ为声束与液体流动方向的夹角，M为声束在液体的直线传播次数，D为管道内径，Tup为声束在正方向上的传播时间，Tdown为声束在逆方向上的传播时间，ΔT=Tup-Tdown。

图1 超声波流量计测量原理

由此可见， 流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。流量Q可以表示为：

（2）

2.超声波脉冲信号激励电路

超声波信号发射的驱动方式一般有高压单脉冲信号和低压多脉冲信号两种。高压单脉冲信号用升压变压器升压到小于600Vpp的单脉冲信号，主要用于气体流速的测量。低压多脉冲信号，用驱动电路将电压转换为20～30Vpp的5～10个脉冲信号，主要用于液体流速的测量。

一个典型的双声道超声波流量计信号处理电路框图如图2所示。超声波换能器载波频率一般为500kHz，1MHz或2MHz。经过驱动电路处理，将微控制器发出的3.3V或5V脉冲信号转换为15V的脉冲信号，并经BTL电路驱动，形成峰峰值30V的脉冲信号加到超声波换能器两端。经过介质传播后，另一个超声波换能器接收到衰减后的超声波回馈信号，让后级电路进行后续处理。这里由于采用的是一体型超声波换能器，所以两个传感器在某一时刻，一个是发射传感器，一个是接收传感器，另一时刻两个传感器的作用又进行调换。所以，需要一个高速低阻的四路模拟开关进行信号的转换。

2.1 信号驱动电路

为了实现微控制器的脉冲信号电平到15V电平输出的转换，采用TC4427芯片， 这是一款双低边MOS场效应管驱动器，最大峰值输出电流为1.5A。该芯片可以将TTL或者CMOS电平信号转换为电源电压信号电平，电源电压可在4.5V到18V之间，输出延时小于40ns。

图2 信号处理框图

图3 信号驱动电路图

如图3所示：引脚1和2、3和4交替出现等幅等频脉冲信号高低电平， 输出形成一个BTL驱动电路， 频率为输入引脚的一半，幅度为30V的峰峰值脉冲信号。因为超声波换能器是一个容性负载，为了提高波形质量减小上升沿和下降沿的尖峰脉冲，加入了四个IN4148二极管和四个180Ω的分流电阻进行匹配。

2.2 信号切换和采集电路

本设计通过采用美信半导体的DG403芯片实现信号切换和采集，这是一款四路高速模拟切换开关，开关切换时导通时间只需100～150ns，关断时间只需60～100ns，导通电阻最大38Ω。

如图4所示，U13为DG403芯片，在上游超声波换能器发射脉冲波形的时候，通过OEC的通道选择，关断上游超声波换能器，导通下游超声波换能器到输出端D，通过并联一个电容进行阻抗匹配之后，经电容去波形直流电压成分送中U12频放大器MC1350进行初级放大。微控制器可测出从上游传感器发送脉冲到接收到放大后的脉冲的时间间隔Tup即为顺流传播时间。于此类似，下游超声波换能器发送脉冲，上游超声波换能器经OEC选择信号后经过匹配电容进行放大处理，可测得逆流传输时间Tdown。时间差T=Tup-Tdown。微控器根据公式即可计算得出介质的流速，并可转换为流量。

3.具体电路调试

为电路调试方便，首选固定OEC，也就是先只测某个方向的传输时间，当测试稳定后再测反方向的传输时间。两个都能测出来的时候，就可以加入定时切换两者的发射或接收状态。

首先，发射10个周期的脉冲，然后测试超声波换能器两端的电压信号。如果出现杂波较大，则需调整匹配电容的参数，直到观测到波形较好的30Vpp的10个方波脉冲信号。然后经过初级IF 放大芯片MC1350后观测接收波形，通过示波器看一般幅度较低，略有频偏。在发射脉冲信号一定时间后出现若干组回馈信号， 其中只有一组是正确的信号， 其他均为无用的干扰信号或反复折射后的信号。反向测试与上述过程类似。

4.结语

该电路已经通过仿真及电路实验，并已经应用于液体超声波流量计上， 测量实验室用自PVC管，可测得较为稳定的流量数据。该超声波电路根据选用不同的超声波换能器， 理论上可测管径为10～100cm。

参考文献

[1]李广峰，刘，高勇.时差法超声波流量计的研究[J].电测与仪表，2000（09）.

[2]杨景常，刘冬梅.高速切换开关技术在高速数据采集电路中的应用[J].电测与仪表，2002（06）.

[3]刘丽.基于时差法的超声波流量测试系统研究[D].浙江理工大学，2010.

超声波流量计篇(3)

关键字：液体超声波流量计；FPSO；体积管；外输计量系统

1、FPSO外输计量系统概述

FPSO原油计量和标定系统主要由计量撬、标定撬和控制系统三部分组成。设计采取三用一备的方式运行，每路外输管线的计量能力可达1800 m?/h，它的功能是将储油轮油舱中的原油输送至驳油轮的过程中（图 1），对原油进行精度达千分之二的精确计量和控制，为原油贸易结算提供可靠的依据；同时具备自动取样功能。

计量撬主要由DANIEL 3804超声波流量计、电动马达阀（DBB阀）、流量控制阀、自动取样器、除气过滤器、温度、压力变送器等组成；标定撬由福尔赫曼FAURE HERMAN 8500涡轮流量计、电动四通阀、电动马达阀、30寸球形体积管、两个500L的水标罐等组成；计量控制系统由上位机、五台流量计算机、两个控制盘等设备组成。

2、超声波流量计在标定过程中出现的问题

2.1采用体积管法和主表法结合的方式标定超声波流量计

FPSO的原油外输计量系统首次使用超声波流量计用于原油外输的外贸计量；用30寸球形体积管标定超声波流量计，其中流量计采用DANIEL 3804超声波流量计，它的标定原理是用球形体积管对每台流量计进行标定，当球形体积管内的球在30寸的管道内运行一周排出的液体量和超声波流量计的读数进行比较。然后通过四通阀的换向实现流程的切换。每台流量计连续标定5～10次，每次结果都要在允许误差范围以内。

厂家原设计方案中使用体积管直接标定超声波流量计，通过多方调研，与国家石油天然气大流量计量站、厂家讨论液体超声波流量计的标定方式，考虑到首次使用超声波流量计存在一定标定风险。因此在设计时特别要求在标定回路总管增加一个12寸的涡轮流量计以便在体积管直接标液超不合格时进行等精度传递法标定。涡轮流量计作为主表，用于量值传递，先用球形体积管标定涡轮流量计，再用涡轮流量计标定液体超声波流量计，使用涡轮流量计标定液体超声波流量计可以得到更好的重复性数据。液体超声波流量计由于其工作原理与传统的体积流量计或者涡轮流量计不一样，超声波流量计的输出信号是不均匀的，需要通过流速和数学模型进行计算。如果使用球形体积管标定液体超声波流量计重复性精度在流量计精度的1/3以内，（0.15%*1/3=0.05%），可能影响原油外输计量标定撬取得国家石油天然气大流量计量站的标定证书。为了保证计量标定的取证工作顺利完成，以及参考国内成功经验做法；因此选用体积管法和主表法结合的方式标定超声波流量计，即等精度传递法。

也就是说，标准表法流量标准装置的准确度同上一级标准装置的准确度大致相等。同理，用该标准表法流量标准装置检定其它流量计也可以得到相似的结果。只要该流量计的重复性足够好，就可用该流量计作为传递标准将流量量值传递给下一级流量标准装置或流量仪表。

2.2 球形体积管标定球的材质选用

此项目于2014年10月进油，经过现场多次测试过油标流程均正常，最后一次测试标定流程后将四通阀反向，确认管内原油将球顶到发球腔内，体积管电伴热一直打开，温度保持在50℃～60℃；

在进行油标取证时，将四通阀反向，LUSM和涡轮主表流速均保持在200m?/h，体积管进出口压力与LUSM处压力均为200kpa左右，排气并维持此流程约20分钟后开始正常标定流程，无法接收到检测开关信号，后经多次不同流量测试，均未能接收到检测开关信号；检查检测开关接线，并在现场进行短接测试，检测开关信号均正常；检查四通阀动作，观察现场阀位指示，正反向均动作正常；在500m?/h流速下，四通阀反向保持20分钟，后停泵，排油，打开发球腔，没有找到标定球；

怀疑标定球可能损坏，再次进行以下流程测试，观察是否能将球顶到发球腔内。在流速1200m3/h，压力200Kpa左右，四通阀反向，稳定运行约15分钟后停泵，泄压，打开发球腔，发现发球腔到四通阀直管段连接处有黄绿色残留物如下图，怀疑是标定球溶解残留。

由厂家参数表可知U-53最高耐受温度77℃，在实际使用过程中体积管温度将接近或者达到标定球的极限温度，是标定球损坏的一个诱因。

体积管水标时，油轮尚未出坞，船厂处于北方，年最高温度低于南海油轮工作环境，标定球不存在超温情况。当油轮到达工作海域后，南海气温高，加之计量撬电伴热双重作用，体积管内温度高于标定球最高使用温度，从而导致标定球损坏。

3、主表涡轮流量计的与S600数据传输问题

在进行油标取证过程中出现在线标定时主表（涡轮流量计）没有读数的情况。按照S600流量计算机中的说明，涡轮流量计典型接线：

调整回路中R阻值，观察到在电阻680欧姆时S600能正确接收脉冲信号，脉冲高电平在19.5VDC左右，但是只维持了约5分钟，就开始接收不稳定，时好时坏；调整电阻从100-1000欧姆，均未能解决此问题；经过排查，检查接地正常，按目前接线方式，可能受电磁干扰。

经分析认为，现场涡轮流量计距离流量计算机距离较远。流量计安装在现场，流量计算机安装于中控机柜。二者直线距离为129米，电缆长度更长。而且电缆敷设使用电缆桥架方式，多个设备，多种类型电缆均有敷设在一起。3.9V的脉冲电压极易受到干扰，造成流量计算机检测不到。因此较为实际的方法是提高脉冲电平。由于计量撬处于2类危险区，在原设计选型中脉冲放大器选用的是FUER HERMAN FH71-STD（标准型），该型放大器最大的优点是满足本安标准，适于危险区使用。缺点是电平较低。如果需要较高电平则需要选择3线制（OC开路）方案，该方案涡轮流量计脉冲放大器采用FH71-OC型。优点是流量计算器脉冲输入端获得的电平较高，干扰影响小。缺点是FH71-OC不符合本安要求，安装于2类危险区时需要安装在防爆接线盒内。OC开路方案接线图。

采取OC开路方案后实测到S600流量计算机脉冲输入端，脉冲高电平为12V左右。导通流程测试涡轮流量计自始至终没有出现流量为零情况，主表涡轮流量计的与S600数据传输问题得到解决。

2.4 取样系统存在循环取样积水情况

外输原油经取样循环泵一部分返回主管线，另一部分流入采样系统。采样系统根据外输流量，自动控制气体取样泵按照计算的取样间隔进行取样。由图中所示，主循环管线为6”，取样管线为1“。当外输结束后一部分油品残留于循环管线和取样管线中。在设备静置期间，由于管线伴热的加热，残留油品产生了油水分离现象。分离的水份积聚于取样管线低点处。当下次外输时积聚的水份被循环至取样柜随即被取样泵抽入取样桶，导致外输开始时取的油样含水过高，从而影响整批油样含水量。在第三次外输作业过程中，由于没有进行取样系统的排残工作，出现取样含水超过3%的情况，正常值是小于0.5%，。实践证明在下次外输开始前对取样管线中的残液进行放残，可有效减少水份被取入取样系统的数量。原系统中设计了低点排放，但是是作为管线和设备维修时排放使用。排放出的残液需要人工收集，不便于操作，需要对其进行改造。改造方案：在原有排放点基础上将出口加装管线延伸至闭排管汇。在外输开始前打开排液阀门，使排出的残液直接进入闭排，防止取样管线存水。在实际使用中又发现，外输开始前各个阀门处于关闭状态，打开排液阀门利用重力排残，时间过长，效果不佳。而且闭排管汇入口高于排液管线出口，导致仍有一部分液体残留在管线中。结合每次外输前均需要对管线充氮气进行气密保压这一情况，利用充气开始前或者结束后泄压的时机，使用氮气将取样管线中最后残留的液体吹除，可取得较好的排残效果。经过排残操作，清空了管线中的残液，减少了水份进入取样系统的机会，保证所取油样的准确性和可靠性，利用商业结算避免了商业纠纷。

3、结束语

本文通过对超声波流量计首次在FPSO外输计量的应用中出现的问题跟踪和处理，对于液体超声波流量计在FPSO外输计量的应用和设计选型时应考虑：现阶段体积管直接标定超声波流量计还存在不稳定的现象，为了避免无法取证的风险可采用等精度传递的标定方案；球形体积管标定球的材质选用考虑电伴热和夏季高温的情况，选用耐高温材质的标定球；在主表涡轮流量计的选择方面，考虑外界的干扰因素，可采用高电平的抗干扰能力强三线制流量计；自动取样系统的设计中，要考虑残液的排放和吹扫的问题，避免出现贸易纠纷的问题。

参考文献

1、JJG 667-2010，中华人民共和国国家计量检定规程――液体容积式流量计检定规程[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2010

2、孙策，安树民.液体超声波流量计检定方法[C].2010’中国油气计量技术论坛论文集，北京：2010

3、何骁勇，徐正海，FPSO原油外输计量标定系统的选型与设计[C].2013’

4、梁国伟，盛健，流量仪表等精度传递的实验研究和准确度分析[C] 2001’

作者简介

超声波流量计篇(4)

[关键词]测量；超声波流量计；应用

中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0016-01

1 引言

近些年随着数字技术、电子技术的发展，根据不同原理、不同构造，可以应用于不同工业生产的超声波流量计已经出现，这些超声波流量计具有安装简便、运行过程比较稳定，在工业生产中常用超声波流量计测量流量。

2 超声波流量计的测量原理及特点

超声波流量计是一种非接触式的测量仪表，适用于测量不容易接触的流体和大管径的流量。超声波流量计是由电子线路、超声波换能器、流量显示和累积系统三部分组成。超声波换能器是将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测的流体中，接收器所接到的超声波信号，通过电子线路进行放大，将转换的表示流量的电信号，提供给流量显示和累积仪表进行显示和计算，通过上述原理来实现流量的测量。

超声波流量计的测量方法有多普勒效应法、传播速度差法、波束偏移法等。多普勒效应法的测量原理是运用声波中的多普勒效应，来测量得到逆流和顺流的频率差而得出的流体的流速，最终得出流量。传播速度差法的测量原理是测量超声波脉冲的逆流和顺流的速度差而得出的流体的流速，最终得出流量。波束偏移法的测量原理是通过运用超声波波束垂直于流体流动的方向进行入射时，因为流体的流动导致超声波波束发生偏移的情况，从而通过偏移量的大小来计算被测流体的流速。

超声波流量计的特点主要有以下几个方面：

（1）需要测量的液体只要能够传播声波，就可以在管道外面对其测量，这种测量方法不用对管道进行改动、可以不用直接接触被测流体、没有压力损失、不受流体磨损和腐蚀的影响。

（2）能够直接测出被测流体的累积流量以及瞬时流量。

（3）构造简单，安装、维护比较方便。

（4）可测范围广，可以测量同一台仪表的不同口径的管道流量，灵敏度高，能够测量流速的微小改变。

（5）不仅能够测量流量以及流速，还可以对流体的其他参数如浓度、成分等进行测量。

3 超声波流量计的安装维护及应用

由于超声波流量计安装简便、可测范围广、在使用中比较稳定等优点，其应用可以延伸到工业、农业、水电、水利等部门，可以较准确的测量流量，应用范围广。

2.1 超声波流量计的分类

（1）多普勒式超声波流量计

多普勒式超声波流量计适用于测量能够反射超声波信号的气泡或者颗粒的流体，一般可测量未处理过的污水、工厂的排放液等。超声波流量计对于被测介质一般要求杂质含量相对稳定的，才可以测量。而且不同厂家的仪表性能对于被测介质的要求也是不同的。

（2）时差法超声波流量计

时差法超声波流量计是目前应用最为广泛的超声波流量计，它一般被用来测量比较干净的液体流量，常用在工业用水和自来水厂。

（3）管道式超声波流量计

管道式超声波流量计它的测量精度是最高的，而且不受管道衬里和材质的限制，一般适用在对于流量测量精度要求很高的场合。管道式超声波流量计的缺点是在安装过程中，一定要切断管道，而且当管径增大时，其成本也在增加。一般情况下，都采用中小口径的管道式超声波流量计，比较经济实用。

2.2 超声波流量计的安装

超声波流量计的正确安装与合理选型均关系到超声波流量计能否正常测量流量。超声波流量计的换能器位置一般选择在远离管道阀门、弯头的位置，可以选择在垂直管段或者水平管段。在超声波流量计的换能器安装时，尽可能地避免电焊机、变频调速器等可能污染电源的场合。超声波流量计与上、下游直管段的距离十分关键，一般选择上游直管段为10D（D表示管道直径），下游直管段为 5D。

超声波流量计的换能器的安装方式有一定的要求，如多普勒效应超声波流量计一般采用对贴式的安装方式，其最合适的位置不能选在管道的上、下游位置，可选择在管道的水平位置。不同的安装方式，超声波流量计的换能器的信号强度是不同的，其测量的稳定性也是不一样的。

2.3 超声波流量计的维护

超声波流量计的维护工作相比于其他类型的流量计，维护的工作量要少一些，一般超声波流量计的维护主要是定期进行现场的巡检，查看超声波流量计的换能器是否有松动，与管道之间是否是粘合的良好。对于管道式的超声波流量计，一般要查看管道与超声波流量计之间的法兰有没有连接好，在作业现场的腐蚀性气体、温度等对电子元件的影响。对于插入式的超声波流量计，要注意定期清洁探头上所沉积的水垢、杂质等，而且还要检查在密封口处有没有泄漏的现象。对于外贴式的超声波流量计，要查看换能器是否松动，钢带连接有没有紧固，以及与管道之间的粘合剂是否是良好的。

4 结语

采用超声波流量计测量流量，具有实时性好、测量的精确度高等特点。随着超声波流量计的应用越来越广泛，为工业现场的流量的测量提供了很大的方便，超声波流量计在工业生产和计量方面都发挥着重要的作用。

参考文献

[1]方卫东.仪表安装与维修[M].北京：化学工业出版社，2000.

超声波流量计篇(5)

关键词：超声波流量计；特点；安装；故障

引言

超声波流量计是一种可以利用非接触的方法来测量流体流量的仪表。它既可以测量其他仪表不能检测的非导电介质、放射性、易爆和强腐蚀介质的流量，也可以用于不易观察和直接接触的介质流量的测量。它的测量准确度较高，可以不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决测量大管径的液体流量问题。因此超声波流量计被广泛应用于环保、油田、水务公司、冶金、发电等行业，而熟悉和掌握超声波流量计的安装及常见故障问题处理是解决流量测量准确这一问题的关键所在。

1 超声波流量计的测量原理

超声波流量计是通过测量流体流动对超声波产生的信号影响来对流体流量进行测量，其测量原理是利用“时差法”来测量的。

而时差法的测量原理为：一个超声波探头发射声波信号穿过流体介质、管壁到另一侧的管壁后，被管壁的另一忍酵方邮盏叫藕牛与此同时，第二个探头也发射声波信号被前一个探头接收到，由于受到流体介质间流速的影响，两者之间存在一定的时间差Δt，根据公式推算出时间差Δt和流速V之间的转换关系V=（C2/2L）×Δt，进而可以得到相关的管道内的流量值Q。

2 超声波流量计的特点

2.1 使用面广

在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量。超声波流量计也可用于气体流量测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到河流都可适用。多普勒法超声波流量计可测量双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。

2.2 价格适中

因各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，流量仪表成本基本上与被测管道口径大小无关。从而比起其他类型的流量计，超声波流量计随着口径增大造价大幅度减少，所以，口径越大，优点越显著。另外一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，从而抬高成本和造价，而超声波流量计在成本和造价方面均可避免。

2.3 维修和安装方便

安装时不需要阀门，法兰、旁通管路等，无论是安装还是维修，都不需要切断流体，不会影响管道内流体的正常流通。因此，维修和安装方便。

2.4 解决测量各种介质流量的难题

超声波流量测量的准确度几乎不受被测流体温度、密度、压力和粘度等参数的影响。由于超声波流量计是非接触式流量仪表，所以，除了用于测量水、石油等一般介质外，还能对非导电介质、放射性、易爆和强腐蚀介质进行流量测量。

3 超声波流量计探头的分类及主要安装方法

3.1 超声波流量计探头的种类

常用的超声波流量计探头按安装方式有如下三种：

（1）管段式探头，安装时需要切开选定的直管段，采用法兰连接。产品已经过生产厂家标定，好处是探头可以在使用企业不用停产的情况下进行维修，其特点是测量的准确度高。（2）插入式探头，安装时需用钻孔工具在使用企业不停产状态下将探头插入管线中。特点是能在水中带气体或水管内壁结垢情况下实现准确可靠的测量。（3）外夹式探头，安装时需将管外壁的预安装位置用打磨工具打磨光滑后用耦合剂将探头贴于管外壁再用专用夹紧装置固定。此类方法能方便地在管壁外进行水流量测量，也适合便携式流量计。不好的地方是易造成耦合剂的处理不当引起信号接收状态异常而影响测量的准确性和可靠性。

3.2 超声波流量计探头的安装方法

超声波流量计传感器的安装方法直接关系到水流量测量的运行可靠性、可信度和准确性。

超声波流量计探头的安装位置一般选择两个探头管轴在与管轴水平面成45度夹角处或管道的管轴水平方向上。

超声波流量计探头的安装方法有Z、V、N、W方法。其中N、W方法适用于管径为50mm以下的管道，因性价比和使用难度原因而被很少用到。常用方法主要有两种：（1）“Z”方法安装，“Z”方法安装一般适用于水介质较差不洁净、输水管道管径较大、管道内壁有水垢或使用“V”方法安装信号失真较严重的情况。一般“Z”方法安装的可测管径范围通常在100mm～600mm，300mm以上管径的管道选用“Z”方法安装较适合。安装探头时须注意管道轴线与上下游两探头在同一平面内，且上游探头在高位，下游探头在低位。（2）“V”方法安装，“V”方法安装是标准的安装方法，可测量外管径范围为25mm～400mm。安装探头时须注意上下游两探头水平方向对齐，使其管道轴线与中心连线水平一致。

3.3 超声波流量计探头安装的后续检查

（1）通过流量计表头核查上下游端探头的信号质量和信号强度是否满足要求，判断探头能否接收到流量计表头工作所需的超声波信号。（2）主要检查安装位置与探头需要的间距是否合适。（3）与管道外壁结合面的接触是否光滑，结合是否紧密。

4 超声波流量计使用中的常见故障与处理方法

4.1 故障表现：外夹式超声波流量计探头的信号过低

（1）故障分析：输水的管道结垢较厚、管道外径过大超过允许范围、管道中介质不满管或探头选用的安装方法不合适。（2）处理方法：管道结垢较厚可选用插入式的探头安装，对于外管径过大和管道中介质不满管可以重新选择探头的安装方法。

4.2 故障表现：流量计仪表在安装现场的强磁场干扰下无法正常使用

（1）故障分析：有可能是探头周围有强磁场干扰、有大功率变频器、接地线的安装不合适或流量计的供电电源波动较大。（2）处理方法：将流量仪表安装在远离强磁场和大功率变频器的场地，将流量计表头正确方法接地，给流量计换装稳定的电源供电。

4.3 故障表现：流量计的瞬时流量数据波动较大

（1）故障分析：可能由于探头的安装位置和管道内气体的影响使信号强度波动较大，从而使流量数据波动较大。（2）处理方法：首先重新调整探头的角度和位置，使管道轴线与上下游两探头在同一平面内，其次保证探头的安装间距准确无误。如管道内有气体影响管道内本身流体波动大，也可以重新选择探头的安装位置，但是要确保探头安装前10D后5D的安装要求。

4.4 故障表现：插入式探头在使用一段时间后出现主机信号降低现象

（1）故障分析：可能管道内或者探头表面产生水垢、探头安装位置改变或者发生偏移、探头长时间日晒导致信号衰减。（2）处理方法：重新安装和调整流量计探头的位置，清洁探头和管壁上的水垢，若探头信号已经衰减可重新更换新的探头。

4.5 故障表现：流量计在开机的情况下无法显示数据

（1）故障分析：流量计表头的保险丝已经烧断或者使用方提供的电源与流量仪表所需要的额定值不符。（2）处理方法：在仪表上检查保险丝是否已经烧断，并检查使用方提供的电源参数是否与流量仪表所规定的额定值相符合。

4.6 故障表现：流量仪表开机后只有背光显示却无任何数据显示

（1）故障分析：此类情况一般为流量仪表本身的内部程序芯片异常所致。（2）处理方法：联系流量计生产厂家现场检查故障并处理，如无法现场修理则需寄回厂家检查并维修。

参考文献

超声波流量计篇(6)

关键词 超声波流量计；抽水试验；计算分析

中图分类号TV5 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）102-0171-02

0引言

2011年至2012年，国务院部署开展了第一次水利普查工作。在这次普查中，我国有史以来第一次对灌溉机电井提水量情况进行普查。该项数据的获取方式仍然处于摸索探讨阶段。根据我国灌溉用机电井基本没有安装量水设施，灌溉用机电井仅普及有耗电量计量设施的现状，廊坊市计划采用耗电量法作为本次普查主要的数据采集方式。

我国对于用电量与提水量之间关系的研究相对滞后，加之幅员辽阔，水资源和经济社会发展情况多样，尚未有全面可靠的技术成果。所以我市决定应用超声波流量计对灌溉机电井耗电量与提水量之间关系进行研究。

这是我市首次应用超声波流量计对水利工程进行研究，对该项技术今后在我市水利行业中的应用具有很强的参考价值。现对试验成果进行分析如下。

1调查目的

通过进行超声波抽水实验，对该方法的可靠性进行分析，核算出我市不同井深范围的电水转换系数，并对一般土质的亩均灌溉单次实际用水量进行大致核算和了解。

2典型对象的选择

我市基本全部为平原区，地上水资源匮乏，全市农业灌溉均已地下水为主，但地下水埋深情况差异较大，其中：北部地下水埋深较浅灌溉机电井深度一般在50m～100m；中部井深100m～300m；南部在300m以上。根据以上情况，我市在10个县级普查区内各分别选取了2眼，全市共选择20眼机电井进行实验。为达到实验目的，要求选取的机电井对象需配有独立电表，且在当地代表性较强。

由于超声波流量计测量时对机电井的地上部分要求较为苛刻（地上直管段总长要在15倍以上），通过对实验条件的分析最终选择10眼左右精度较有保障的数据进行汇总分析。

3 超声波流量计的测试及分析

由于之前没有对超声波流量计的操作经验，为保障实验顺利开展和成果数据的可靠性，决定先期选取实验点过对超声波流量计进行测试，以熟悉超声波流量计的操作方法、和条件需求，并对实验数据进行分析。根据分析成果确定后续实验安排和整体技术路线。

通过在固安县选定的2个实验点对超声波流量计的测试及实际操作中的数据分析，发现实验数据会因水位变化、地下管道情况造成的压力变化产生影响。使用该方法核算出的耗电量与出水量转换系数并不可直接使用。需进一步完善整体技术路线及实验安排，尽量减少实验数据与实际数据之间的差异，保障成果精度。

通过分析计算最终确定可靠的电水转换系数。

3.1井下水位变化影响分析

因实验前机电井前期都有一段时间没有使用，且闲置时间不同，井管内存有闲置期间析出的水，在抽水时，数据呈现出两个变化阶段。第一阶段，0.5min～1.5min，仪器显示的出水量数值快速下降。在该阶段，井内水位下降速度极快，随着出水量逐步接近井壁析出能力，数值变化逐步降低，最终达到平衡；第二阶段，仪器显示的出水量数值缓慢降低。在该阶段，出水量与井壁析出能力保持平衡，数值随井壁析出能力的衰减缓慢降低。

通过以上分析，实验数据的提取应选择在第二阶段，且提取时间应保证大致相同，这样才能充分排除影响数据精度的水位变化因素。

由于在第二阶段，数值仍随井壁析出能力的衰减而逐步降低，实验数据必定大于真实数据，需要选取典型实验点作为数据复核校正测算点，同时开展抽水实验和实灌数据记录，将两种方法数据进行比对，计算出数据调整系数，对全部实验成果进行调整。

3.2 配套管道影响分析

实验中发现，如在同一眼井选择开启不同的配套管道出水口，显示数值会产生变化，数值与流经的管道长度呈反比。配套管道越长，机电井出水量越低，反之则出水量增加。

配套管道是实际灌溉时必须使用的，对数据真实性构成影响不大，但在实验中应尽量选择开启管网中部的出水口，使实验数值与实际平均数值最为接近。

4 整体技术路线与实验安排

我市最终确定的技术路线如下：

1）实验以超声波流量计抽水实验为主，使用超声波流量计对选定的多个典型对象进行抽水实验，并提取其各项有关特征指标。数据记录开始时间统一确定为开泵1min～2min后，（这时，井管内存水已基本排空，水位变化速度明显降低）。记录时间2min，电表读数观测电表，数据精确至0.01度，实验时井口需连接灌溉管道，出水口选取与机电井距离适中的口门；

2）在进行过超声波流量计抽水实验的机电井中，选取1眼位于一般土质区域且测量条件好的实验对象作为数据复核校正测算点，为机电井安装水表，在灌溉期开展实灌数据记录，将两种方法数据进行比对，计算数据调整系数，对流量计实验结果进行校正，并计算一般土质的亩均单次灌溉用水量；

3）使用调整系数对超声波流量计测量成果进行调整，使用调整后的数据分井深范围进行电水转换系数核算，对实验成果的可靠性进行综合分析。

5实验成果

2011年9月我市完成了全部20个试验点的超声波流量计抽水实验，记录了实验数据并提取了试验点各项有关特征指标。通过对实验条件和成果的分析，共选取了9眼精度较有保障的实验数据用于成果分析计算。2012年选择为其中实验条件最理想的五百户乡香椿营村1眼机电井安装了水表，并选取了典型地块进行了测量（地块面积为0.638亩），在该地块进行了实灌数据记录。

5.1 超声波流量计抽水实验成果（见下表）

5.2 实灌水表监测数据（见下表）

6 成果计算分析

6.1 调整系数计算

通过同一眼机电井超声波流量计抽水实验成果数据与水表监测实际数据的比对，得出调整系数：

调整系数=8.12/9.29=0.87

6.2 亩均单次用水量计算

使用水表监测实际数据直接计算：

亩均单次用水量=34.11/0.638=53.46m3

6.3 电水转换系数

按照实验选取的机电井井深，分为50m～100m、250m～350m两组进行计算，计算结果见下表：

6.4 成果分析

通过以上计算，50m～100m电水转换系数为5.7，从表中可以看出各对象计算成果与该值差别较大，最大偏离达到2.7；250m～350m电水转换系数为1.7，各对象成果非常接近。

通过以上分析可看出，较浅机电井受地下水位、条件等影响较大，取水效率差别也较大，采用电水转换系数法填报水量精确度明显不足；

较深机电井其它因素对其影响相对较小，取水效率相对稳定，适于使用电水转换系数法核算实际取水量。

另通过普查数据现场提取工作开展，我们发现在现有集中供水机电井井口的传统水表虽安装时间不长但已全数损坏，其原因是井口水压较大，且含有较多杂质。根据本次超声波实验的成果，因集中供水井均为井深较大，如在设计和建设中使用固定式超声波流量计替代传统水表，将有良好的应用前景。

参考文献

[1]程刚.超声波流量计在机井电水转换系数测算中的应用.河北水利[J]，2012（3）.

超声波流量计篇(7)

【关键词】超声波；单片机；测距

超声波具有能量消耗缓慢、指向性强、在介质中传播距离远等特性。由于各种介质对声波的传播都呈现一定的阻抗，当声波作用到两种介质的分界面时，如果这两种介质的声阻抗相差很大，就会从界面上反射回来，因而超声波经常用来测量距离[1]。超声波测距主要应用于井深、液位、管道长度、倒车雷达等场合。有的超声波测距仪采用专用集成电路来设计，但没有距离显示且成本高，使用也不方便。本文介绍的超声波测距仪以单片机AT89S52为核心的硬件电路和软件设计，具有高精度、低成本、数字显示、工作稳定、性能良好等优点的。

一、超声波测距仪原理与方案

超声波测距原理是通过测发射和接收超声波遇到障碍物反射回波的时间差t，再求出距离d。

若超声波发生器在t1时刻发出超过声波，经测物体后反射后，在t2时刻被超声波接收器所接收，则超声波发出信号到接收返回信号所用的时间t=t2-t1，故被测距离为：d=s/2=（ct）/2

式中，s为声波的来回路程，d为被测物与测距器的距离，c为声速。

本系统由分超声波发射模块、超声波接收模块、显示及信号处理模块组成。系统框图如图1所示。

二、系统硬件电路设计

1.超声波发射电路

考虑到成本问题，超声波信号的产生采用构成多谐振荡，电路结构如图2，振荡频率由图2中的RP电位器调节，由555多谐振荡电路产生约40kHz方波信号，再由超声换能器T40-16转换成超声波信号，并向外发射。由单片机AT89S52的P2.7输出控制电平至555时基集成电路的4脚实现超声波的发射的关闭，当P2.7为高电平时振荡器工作并输出40kHz的方波信号。

本电路供电电压为5V，工作电流可达40mA，超声波发射电路既经济又简单，所需元件很少，超声波信号的有效距离可达3m。

2.超声波接收电路

超声波接收器由超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路组成，如图3所示。考虑到超声波接收的效果，要求超声波探头的接收频率跟超声波发射器发射的频率一致，本设计采用跟发射端相同的R40-16作为接收探头。

经探头变换后微弱超声信号经C2耦合至由LM393构成同相比例放大电路对进行放大，为降低成本和适合于移动场合使用，本系统采用单电源供电，图中R6和R7组成分压电路，使同相端电位为1/2电源电压，实现单电源条件下交流信号的放大；R3、R1、C1构成负反馈网络，C1对接收的超声波信号可视为短路，但对直流信号和较低频率的信号可视为开路，故该放大电路对直流和低频率信号放大量小，几乎不放大，而对超声波信号的放大倍数大，对超声波信号的放大倍数为1+R3/R1，这样有利于抑制超声波接收探头感应的直流和低频干扰；放大电路输出端所接的电容C3可滤除超声波接收探头感应高频干扰。

经放大后的超声信号经74LS14施密特触发器对放大后的信号进行整形，同时也可以消除略高于超声信号频率的高频小信号干扰，得到跟发射的超声波频率相同的方波信号，再送到单片机中断输入口。

3.显示电路

本系统是基于单片机的控制模块。根据系统所需资源及其可伸缩规模的特点，本设计选用8位单片机AT89S52，该单片机具有8K字节的程序存储单元，可实现在系统编程，且易于调试。单片机硬件的连接主要包括按键、发射电路的控制端、接收电路的信号、显示电路以及温度信号等。LCD与单片机的显示接口电路如图4所示。

三、系统软件设计

本系统软件部分与硬件系统配合完成对超声波往返时间的测量，根据在一定温度下超声波的传播速度计算测量的距离，送数码管显示测量结果。为仪器的适应性强、软件系统的鲁棒性能好，编程语言用汇编。系统采用了去除最大、最小值后取平均的方法。为测量精度、速度，应适当选取测量次数。此仪器取4次测量。另外，在MCU计数器计数过程中遇到了数值溢出的问题。因为浮点数最大的优点就是数的表示范围大。但这就涉及定点数与浮点数的转换，对通用MCU来说运行代价太高：编程困难、占用更多机器时间。

整个软件可采用模块化设计，它由主程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。主程序采用键控循环方式，当按下控制键后，系统将在一定周期内依次执行各个模块，并对测量结果进行分析处理，然后根据处理结果决定显示程序的内容[5]。

主程序首先对系统环境初始化，置位总中断允许位EA、外部中断允许位EX1，以及定时器T0中断允许位；接着设置定时器T0和T1工作于定时方式1，调用发射子程序并延时0.1ms后，打开外部中断，等待回波；当主程序检测到接收信号正确后，即对计数器中的数据按公式进行计算，进而得出被测距离。

发射子程序先置P27口为高，同时打开计数器T0、T1进行计数。由于采用的是12MHz晶振，因此，每计一个数就是1μs；当T0计数溢出后，即维持P27端口一段时间的高电平后关闭T0，并置P27为低电平，使发射探头发射N个脉冲信号。当接收子程序检测到外部中断信号后，即关闭T1，并保存T1中的数据到t0后清零并打开T1，当第二个负脉冲进来（即又检测到外部中断信号）时关闭T1。并保存T1中的数据到t1后清零并打开T1，第三个负脉冲进来后关闭T1并保存T1中的数据到t2；若t1和t2之差的绝对值几乎相等，即认为t0为超声波返回时间。其系统主程序和接收超声波外部中断子程序的流程图如图5所示[6]。

四、结束语

利用AT89S52单片机可以简化设计应用于无接触式距离测量，如测深、测高。对于静态、准静态及慢动态被测物进行精确测量，数字显示结果。尽管采取了多种方法以减小测距误差，但仍存在各种主客观的偏差：对t的计数误差；传感器的反应速度；对回波信号处理需要时间；声速误差，当前条件下的实传播速度与程序中设置间的差别；数据处理中整数与小数的相乘等等。对误差影响因素最大的是温度的变化，可采用温度传感器补偿声速等，从而使测量更精确，系统设计简单、成本低、体积小、性能可靠等特点。该系统经实际测试证明，可以满足大多数场合的测距要求。

参考文献

[1]何健民.浅谈超声波传感器非接触式距离检测系统[J].黑龙江科技信息，2010（2）：27.

[2]滕志军.一种语音同步提示的倒车雷达的设计[J].电子科技，2007（6）：48.

[3]苏平.智能车上CAN总线控制超声波测距仪设计[J].合肥工业大学学报，2007（2）：57.

[4]鞠永胜.基于嵌入式系统汽车倒车雷达的设计与实现[J].山东大学学报，2010（2）：29.

[5]苏胜.基于超声波检测的倒车雷达设计[J].电子科技，2007（3）：59.

[6]李敏.传感器应用[J].山东大学学报，2012（3）：69.

[7]路锦正.超声波测距仪的设计[J].传感器技术，2002 （4）：57.

黄冈师范学院2011年实验教学示范中心大学生创新活动项目（ZX1106）。

作者简介：