“速度差法”超声波流量计在电厂中的应用

介绍几种常用流量计的特点及“速度差法”超声波流量计测量原理，分析 “速度差法”超声波流量计的应用情况及效果，结果表明“速度差法”超声波流量计测量精度高、系统稳定性好，并提出减小测量误差的建议。

电厂对各种流量的测量准确性要求较高，随着电子技术的发展，一些新颖的测量方法逐渐推广开来，超声波流量计就是一种具有广阔发展前景的流量测量装备。由于超声波测流量没有压力损失、能测量腐蚀性液体、安装方便，使其在各种测量仪表中凸显出了其优越性。河北建投沙河发电有限责任公司（简称“沙河电厂”）水处理间除盐水流量的测量使用了 ＬＣＺ－８０３Ｆ 型超声波流量计。

１.几种常用流量计的特点

在电厂使用较多的为差压式流量计、涡轮流量计、电磁式流量计等，而超声波流量计正以其凸显的优越性得到广泛应用。

１．１ 差压式流量计

差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知流体条件和检测件与管道的几何尺寸，来计算流量的仪表。差压式流量计性能比较稳定、结构牢固、使用寿命较长，但其致使管道压损增大，测量精度较低。且对于除盐水管道，因其工程量较大，经济性较低，不宜采用差压流量计。

１．２ 涡轮流量计

涡轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。其结构紧凑，精确度较差压式流量计高，但对流体流量特性有较大影响。

１．３ 电磁式流量计

电磁式流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，感应电动势和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量。其测量精度和灵敏度较高、无压损，对被测介质的化学和物理特性要求较低，但其造价较高、易受到外界电磁干扰，应用并不广泛。

１．４ 超声波流量计

超声波流量计是通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表.

它的测量精度较高，系统稳定性好，无压损可精确测量脉动流，对介质的要求不高，不受被测介质的化学和物理特性影响，安装简便。

超声波流量计按其安装方式可分为外贴式、管段式和插入式３种。而除盐水管路所采用的插入式安装方式，可以在不断流的情况下，使用专门钻孔工具在有水的管段上打孔，插入换能器，完成安装。这种方式安装时不影响系统运行，省时省力且应用效果极佳。

２ .“速度差法”超声波流量计测量原理

声波在液体中的流速和液体的类型有关。如果液体处于运动状态，声波相对于换能器的速度等于液体中的声速和液体本身的速度之和，声波传播方向于流速同向时，其传播速度比反向时快。

“速度差法 ”超声波流量计则是一种新型测量方式，“速度差法”测量原理见图１。

在进行流体测量的时候，会由换能器发射信号，信号在穿过管壁、介质、另一侧管壁之后，被另一个换能器接收，同一时间２个换能器会一起发射信号和接收信号。流体中传播因流体流动方向不同而传播速度也不同，通过测量它的顺流传播时间ｔ１ 和逆流传播时间ｔ２ 的差值，从而计算流体流动的速度和流量。ＬＣＺ－８０３Ｆ型超声波流量计便为“速度差法”流量计。

３. “速度差法”超声波流量计的应用效果分析

３．１ 安装应用

超声波流量计主要由转换器和换能器（一般为２个换能器）组成，换能器有外加式换能器和插入式换能器［２］。换能器的安装方式主要有以下几种：对贴安装、Ｖ 方式、Ｚ方式。其中对贴安装适用于多普勒超声波流量计，而速度差式超声波流量计一般采用采用 Ｖ 方式或Ｚ方式。通常采用Ｚ方式安装。通常情况下，管径小于３００ｍｍ 时，采

用Ｖ 方式安装，管径大于２００ｍｍ 时，采用Ｚ方式安装 。Ｚ方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好。如果条件所限，不能采用Ｚ方式，可采用Ｖ 方式，也能达到测量要求。

沙河发电公司水处理间除盐水管路直径３００ｍｍ，２种方式均可采用。换能器应尽量采用Ｚ型安装方式，因为这种安装方式较 Ｖ 型安装接收到的信号强度更高，测量更准确。但是由于现场管路靠近墙壁，且在此管路上方紧邻一个管道，不满足Ｚ型安装条件，而采取了 Ｖ 型安装。Ｖ 型安装仍能达到测量精度的要求。除盐水管路的超生波换能器选用插入式安装方式，以保证测量的稳定性和可靠性。

在选择换能器的安装位置时，要保证有一定的直管段，上游侧直管段长度不小于１０Ｄ，下游侧不小于２Ｄ（Ｄ 为管道内径）。否则将会出现实际流量稳定，但测量结果不稳的情况。若现场达不到这一要求，则要在上游侧安装流动整直器，消除流动中的旋涡，改善流速场的分布，提高仪表的测量准确度及稳定性。若液体流速较低时，流动中的旋涡及流速场的分布，同样可以得到改善，则前置直管段可小于１０Ｄ。若在换能器上游侧有２个方向的弯头或其它阻流件，则前置直管段应大于１０Ｄ。现场除盐水管路较长，选取了符合直管段要求的位置进行安装。“速度差法”超声波流量计现场安装位置示意见图２。

在ＬＣＺ－８０３Ｆ 型超声波流量计使用微处理器，根据转换器的菜单提示输入管外径、管壁材料、管壁厚度、管衬材料、管衬厚度、安装方式后，转换器自动计算并显示两探头安装距离的数值。输入测量前，需要流量单位进行选择，如果在测量中改变流量单位，将会对累计流量和满量程范围引起转换误差。超声波流量计安装环境尽量选取远离其他声波信号干扰、震动较小的地方。

３．２ 现场应用效果

安装ＬＣＺ－８０３Ｆ型超声波流量计后，现场流量测量的准确度大大提高，除盐水泵为变频控制。除盐水母管流量与泵的电流情况见图３。图中１为除盐水出口母管流量，２为１号除盐水泵电流，３为２号除盐水泵电流。

由图３可知，除盐水母管流量的变化趋势很好地符合了２个除盐水泵电流的变化。ＬＣＺ－８０３Ｆ型超声波流量计的安装使用达到了预期效果，使

流量的测量更加准确。为除盐水流量的精确计量提供了可靠的保证。

４.建议

工业生产对水流量计量的准确性要求越来越高，而超声波流量计用于对水流量的测量也有其

独特的优点。为减小超声波流量计的测量误差，提出以下建议。

ａ．水流不稳定。超声波流量计在测量时是按满管流量计算的，如果管段中未充满被测液体则所测流量结果便会与实际流量相差较大。因此如果要保证测量的准确性，需要使测量直管段中充满被测液体。若管道满水但液体中气泡较多，气泡会对超声波造成反射或折射，也会影响测量结果。

ｂ．结垢与腐蚀。管路的结垢，会造成管路有效内径的减小，导致测量结果偏高，对于插入式流量计，若换能器结垢，则超声波的平均传播速度会增大，也会使测量结果偏高。若管路腐蚀较为严重，在冲洗管路之后，有效内径会增大，测量结果会偏低。若消除有效内径变化带来的误差，则需要定期检查管路内部，是否有腐蚀或结垢，并将变化后的实际内径作为流量计的最新参数。

ｃ．被测介质的特性变化。超声波流量计中一个较为重要的参数为声波在流体介质中的传播速度，此传播速度受流体的密度变化影响，而流体密度的变化又受温度影响较大，因此不同温度下的测量结果会有不同。