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西藏自治区计量测试所,拉萨 850000
摘要：随着数字化、电子以及声锲材料等领域的发展，使得超声波脉冲进一步被应用于流体流量的测量中。当前在许多场合也已经相继出现了依据不同原理研制的形式各异的超声波流量，其已被应用到水电水利以及工农业等领域，有日趋成为流量计量的首选测量工具之势。基于此，本文对超声波流量计进行了阐述，阐述超声波流量计的优点及测量原理，分析超声波流量计在使用中出现各种故障的原因及相应的解决办法。
关键词：流量计量；超声波流量计；信号中断
一、时差式超声波流量计的测量原理
时差式超声波流量计是利用超声波脉冲顺介质流和逆介质流的传播时间差， 即超声波传输方向与介质流体方向相互叠加时， 通过测量声波正向传输与反向传输的时间差来测量流量， 可表达为:
V= ( (c2·tgθ) /2D) ·Δt
式中:V——流体流动速度;c——声速;θ——流体中声线与管道轴心线的夹角;D——管道直径;Δt——时间差。
超声波流量计是利用声波来进行测量的流量仪表， 与光的折射原理一样， 声波从一种介质到另一种介质传播过程中， 一样有能量的损失与传播方向的折射现象。
二、超声波流量计的现场安装
我们在安装超声波流量计的时候， 要对流量计进行全面的检查， 保证超声波流量计符合国家规定的标准， 对流量计各个信号电源链接进行检查， 对温度传感器进行分析， 检查压力探头和法兰连接是否合格。还要保证连接线路按照安装图进行准确链接， 对流量计中最大流量进行全面限制， 在正式投入到使用的时候， 要对之前流量计进行检测， 如果没有检测条件， 就要保证气体温度稳定之后在进行测试， 保证流量计的质量。
三、 应用中的问题及解决办法
时差式超声波流量计在使用中出现的问题：
(1) 无信号或信号较差，出现这种情况的原因：
a.耦合剂固化后产生空泡，或探头在安装后由于震动出现位移，收不到反射波。
出现这种情况时，首先检查探头部位的耦合剂固化情况。在日常观察中发现，平常我们使用的玻璃胶在固化后有较好的密封性，不易产生气泡，在后来的使用中我们做了实验，取得了较好的效果。
b.管道内部结垢或锈蚀严重，致使声波在传输过程中出现散射现象，或是折射偏差。
处理这种情况，我们对测量段有条件的进行内部防腐处理，喷涂“特福龙”，或者烤蓝处理，尽量避免管道内部出现锈蚀或结垢情况的产生，从而为测量创造较理想的条件。
c.被测介质的浊度较高，或者气液两相情况较严重。致使声波在传输过程中发生散射或折射，进而影响测量。
解决该因素只有重新选择测量地点把探头移到别的地方或者别的管道。
d.测量地点附近有无线电或工频干扰。
通常采取两种办法：一是在有条件的地方尽量使检测器和传感器之间的电缆缩短；二是采用双层屏蔽同轴电缆，将管道和转换器同时接地处理。
e.管道震动较大，影响测量。
通常选择在有管道支撑的地方安装探头，这样可以减少震动并部分减少测量的背景噪声干扰。
f.在水平管道的上部安装探头时，由于有较多的气泡影响或者流体不能充满管道，而影响测量。
(2) 实际流量是恒定的，但是测量值不稳定。
a.所选择的测量部位直管段不够。
将测量点位置重新选择，保证上游直管段至少为10D、下游直管段为5D的地方。
b.附近有诸如泵、阀或插入式的温度测量装置等干扰流动的因素存在。
出现这种情况时，选择探头的安装地点至少在30D以上无湍流干扰的地方。
c.实际的介质流动有脉动流。
出现这种情况时，通常通过阻尼设定增加相应时间，以消除测量值的不稳定。
(3)测量值有错误。其原因有以下几种：
a.所输入的管道参数与实际不符， 当内径与实际相差1%时， 造成测量值的误差在3%左右。
b.旧的管壁上有较厚的水垢附着，造成实际的流体截面缩小，这时，应把水垢当作衬里参数输入，以消除结垢对流量所造成的影响。
c.管道内部流体不满管， 或者管道底部有泥沙沉淀， 造成流体的实际界面减少，这种情况应该选择管道断面较小，流出多，流体截至充满的地方。或者安装在垂直管道上，以消除其影响。
d.测量水以外的介质时，由于对声波在介质中的传播速度不详， 而选错声速值，从而造成较大的测量误差。可以查找相关的资料， 选择适当温度下的介质声速值，从而达到准确测量的目的。
e.探头的设定型号与实际使用型号不符，造成测量误差较大，或者是没有测量信号。
四、应用优势
通过在实际区域的流量计量中引入超声波以及其他类型的流量计进行比较，我们发现：当超声波与涡流式流量计的口径相同时，超声波流量计在不足量程用量以及工况量程数最小时的测量水平均更为突出，在计量方面显示出了更高的精确性。
相比于涡流测量计，在用户数与其他运行工况一致之时，选择超声波流量计能够采取缩颈配置，且此后依然可以达到工况标准，同时其计量也具有更好的准确度，有利于减少成本并增加经济效益。
比较皮膜表与超声波流量计可发现，当工况条件相同时，两者均可以将计量误差控制于允许范围内；但由于超声波流量计具有体积小的优势，故而在小空间调压室更为适用。
五、测流原理
今随着超声波流量计的类别越来越多，其测量原理也不尽相同，如多普勒法、时差法等。故而，对超声波流量计与流速仪在测流计量中的作用与结果进行了比较，发现对于测流工作而言，超声波流量计不管是在准确度还是精确度方面均远远优于其他测量设备，同时其还兼备其他测流设备所没有的数据远传与实时在线等优越性能。
声讯号在传递过程中，从流动于管道内的介质穿过时，其传递速度会被介质流速所改变。当声讯号传递于两个传感器之间时，其速度一般由管道内流动介质的速度所决定。特定的声讯号在经过上游时所需要的时间往往长于其经过下游所用时间，经过管道上下游的时间差dt与介质流速vf具有一定的比例关系。
通过对某区域计量表多年以来所记录的流量数据发现，许多流量表所显示流量的最大值要比配表所显示的满量程值小许多，而表的配置需要与调压器固有的流通能力相匹配，从而使得所配之表流程过大，一旦实际流量不能达到流量计额定流量最小值时，流量计就不再进行计量或计量不准确。
近年来，随着超声波测量技术的不断发展，对于该技术的应用也愈加广泛。故而，我们在几个区域所设置的计量点上配置了超声波流量计，对其进行使用，经过一段时间后我们分析了相关使用数据并对超声波流量计在该区域计量中的使用可行性进行了探讨。
本次我们选择了具有优越重复性能的“传播时间差”方式，将一组新型的超声传感器安装到了管内，同时对声波到彼此间的时间进行了测量。这一试验发现，相比于反方向，顺着流动气体的方向所发的声波会更快地传递到另一侧的超声波传感器所在位置，将正反方向的时间差换算为流量，在其计算方式中提取出所用时间的倒数差即可将声速项消去，继而便可算出流速，由此可看出流速与音速之间并无关联。流速乘以修正系数与管的横断面积即可统计出流量Q。
结论
超声波流量计具有体积小、量程范围大、准确性高等优势，使得其比其他形式的流量计更适用于流量计量当中。超声波流量计出现信号中断的原因为上下游直管段长度不达标，维修时只需合理调整探头位置即可。这种流量计功能强大且维修方便。故而，建议相关单位推广使用超声波流量计。
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