超声波流量传感器超声波流量传感器的工作原理是什么

发布时间：2024-11-24 06:11:45

超声波流量传感器的工作原理是什么

超声波流量传感器的工作原理可以分点表示和归纳如下：

基本原理：

超声波流量传感器采用低电压多脉冲平衡发射接收专利技术，设计为一种全新通用时差型多功能超声波传感器。

传感器由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和计算。

流量检测方法：

根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量传感器。

其中，传播速度差法（包括直接时差法、时差法、相位差法、频差法）是基于测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速的。这种方法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，因此被广泛采用。

具体工作方式：

超声波流量计采用时差法进行流量测量，利用两个相对的传感器发送和接收超声波。

每个传感器都具有信号传输和信号接收功能，将超声脉冲能量以一定的角度在管壁内的两个传感器与流体之间传递。

流体的流速将在一定程度上影响超声脉冲在两个传感器之间的传播时间。从上游传感器到下游传感器，声速和流体速度混合并变快；从下游传感器到上游传感器，声速抵消了流体速度，变慢。

上下游传播时间的净时间差与流速数值成正比，由此可推导出流体的平均流速。

计算与显示：

超声波流量计本身可能带有RS485或RS232接口，以及可选购的带Hart接口的4~20mA电流环输出模块，用于与显示和积算仪表连接，实现流量的显示和计算。

适用场景：

超声波流量传感器适用于测量各种能够传导超声波的单一均匀的液体的流量及热量，尤其适合在油气集输、净化等领域使用。

所以，超声波流量传感器通过测量超声波在流体中顺流和逆流传播的时间差来反映流体的流速，从而实现流量的测量和显示。其工作原理基于声波在流体中的传播特性，具有准确度高、适用范围广等优点。

超声波流量计及其传感器基础应用

超声波流量计由超声波换能器、电子转换线路、流量显示累积系统三个部分组成。超声波换能器采用铸铁酸铅压电元件制作，利用压电效应发射和接收声波，通过检测流体对超声束(或超声脉冲)的影响来测量流体体积流量。

超声波流量计的原理：传递的声讯号穿过管道内流动的介质时，其传递速度受介质流动速度的影响。

声讯号在两个传感器之间的传递时间取决于管道内介质的流速。一个声讯号通过上游的时间要比它通过下游的时间长。这个时间差值dt与管道内介质的流速vf成比例。如图1所示。

V：介质流速；θ：声速与液体流动方向的夹角；

M：声束在液体的直线传播次数；

D：管道内径；Tup：声束在顺流时的传播时间；

Tdown：声束在逆流时的传播时间；△T=Tup-Tdown。

当超声波波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时间的变化正比于液体的流速，零流量时，两个传感器发射和接收声波所需的时间完全相同（唯一可实际测量零流量的技术）；介质流动时，逆流方向的声波传输时间大于顺流方向的声波传输时间。其关系符合上述表达式。

目前所使用的超声波流量计系统主要有以下两种工作原理：

1.1 速度法：

管道内介质流速vf按以下公式求得：

vf=(L/2cosβ)[dt/(t1 t2)] (1)

式中：t1，t2分别代表声讯号通过上游与下游时间；

dt为声讯号通过上游与下游的时间差；

L为声讯号通过路径长度；

β为代表管轴线与L之间角度。

1.2 环鸣系统法( Sing2around System)

如果在两个不同的方向上比较两条脉冲链的频率差，这个脉冲差与流体速度也成比例。

这是流速的基频表示法,与流体中的声速无关。

以上两种对流体流速的算法的理论基础是相同的，其流体流速vf的理论值也是基本相同的。利用不同的二次仪表设置不同的流量系数均可显示其容积流量。

性能特点：

(1) 适用于各种管径流量的高精度计量，其流量和管径越大，精确度越高；

(2) 测量范围(量程比)很宽，一般为1：40～1：160，最大能达到1：300；

(3) 重复性很高，能实现双向流量计量；

(4) 流量计本体无压力损失，可精确测量脉动流；

(5) 节能，可大大降低长输管道增压费用；

(6) 不受沉积物或湿气的影响，无可动部件；

(7) 所需上下游直管段较短(上游为10D，下游为3D)；

(8) 无磨损，示值无零点漂移现象，偏移误差小；

(9) 动态计量范围宽；

(10) 不受涡流和流速剖面变化的影响；

(11) 不受压力、温度、分子量、气体组分变化的影响；

(12) 不需要重复标定。

流量计性能对比：

表1 为流量计性能对比表。

表1 流量计性能对比表

应用：

1.计量流体体积流量

作为流量计使用时，其流量范围是很宽的，可以双向计量，对于黏度较高、甚至小流量的流体亦可计量。同时，它的维修费用较低。它没有机械零件处于管线之中，不受其他介质影响，不需要调正和控制，也不需停产操作。但是超声波流量计的精度依赖于介质特性。其补偿技术是必须的，为了简化补偿系数f，必须在管线上游保留10倍直径的直管段和在下游保留5倍直径的直管段。对于在一定安装条件和流体特性条件下可确定一个实际的流量系数进行补偿。

2.泄漏检测

在正常情况下输送管道的入口流量应完全等于该管道出口流量。如果不等，那么泄漏现象就一定存在。如果两计量仪表之间的计量读数改变并超过了额定精度，就可发现泄漏现象。计量仪表越精确，检测泄漏量也越准确。但是对于大口径管道检测时，由于有温度和压力的影响，其温度和压力变化的补偿量也须考虑。如一个DN1000的管线，其温度变化10℃，容积也相应变化0.8%。一个DN1000，长100km的管线在0.1MPa压力变化下能引起10m3的容积变化。鉴于这种情况，两组流量计之间距离不得太长。其距离越短，越易检测出泄漏情况。

误差分析：

1.噪声影响

超声波流量计可能会受附近超声波噪声源的不利影响。这种噪声源包括减少可听见噪声的无噪声阀、压力调节器和管道的其他重要节流部件。流量计生产厂家正在积极地解决这个问题。计量站设计人员应向生产厂家请求协助。现场经验表明：最好找出流量计上游潜在的噪声源，在流量计和噪声源之间设置弯头会有助于减轻额外的超声波噪声。

2.流体清洁度影响

超声波传送器表面的堆积物(压缩机油、冷凝液等) 可能会使装置不经过流体传送超声波脉冲。这可能会引起所谓的超声波路径“脱落”，路径“脱落”会增加计量误差。在测量气体流量时，气流装位置相同时，初始容积较大的空气罐能更有效地控制水击压力的产生，也就是空气罐越大越好。但在实际工程中，其大小要受经济，外观等因素的约束。空气罐的容量通常用试算方法确定1。图5为空气罐的不同安装位置对A 处压力变化的影响。从图5可以看出，空气罐安装在不同的位置对管道的压力影响也不同。空气罐安装在B 处时，对A处发生的水击控制不大，而且还有增强水击的可能性，也就是其水击压力可能大于安装空气罐时的水击压力。