发布时间：2022-07-25 09:56:58
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的超声波流量计样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
【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.
大牛地气田经过几年的发展，已达到20亿方天然气产能建设能力，成为了中石化重要的天然气采输基地。目前，大牛地气田共有3套Daniel超声波流量计，通径分别是DN300、DN250和DN200。自2005年超声波流量计运行以来，先后出现了几次故障，给正常生产带来了很大影响。本文通过分析几次故障现象及原因，总结出了一套丹尼尔超声波流量计故障的诊断和排除方法。
大牛地气田丹尼尔超声波流量计出现的故障主要是瞬时流量异常和无瞬时流量。
一、瞬时流量异常
瞬时流量异常可能是由于温变压变、通讯电缆、浪涌保护器、流量计算机等故障引起，需要仔细检查确认。通过与其它流量计的温变压变上传通讯线对换，判断是流量计算机的问题或是现场线路、仪表的问题。以下以A、B超声波流量计举例说明，A正常，B异常。
1.仪表及线路故障判断
把A和B的温变、压变通讯线对换后，B的显示正常，A显示异常，可判断A的温变、压力通讯线路或仪表存在问题。温变和压变都支持HART通讯协议，通过以下方法判断：断开二次仪表的电源，用FLUK供电，并检查二次仪表，如检测不到或数据异常，判断是仪表故障，更换仪表恢复正常生产。
如果能够检测到仪表值并且显示正常，那么恢复向现场仪表的24V供电，逐段检测到流量计算机的通讯电缆如在某段检测不到信号或信号异常，可以判断是该段电缆破损，更换该段电缆恢复正常通讯。如果在经过浪涌保护器后信号异常，可判断是浪涌保护器故障，更换浪涌保护器恢复数据正常传递。
2.流量计算机Hart板故障
把A和B的温变、压变通讯线对换后，A显示正常，B显示异常，说明B的流量计算机故障。检查流量计算机Hart板LED指示灯状态，正常情况下是绿色闪烁，如果显示红色常亮或不亮等其它状态，说明温变和压变对应的Hart板通道损坏。解决办法有两个，一是直接更换Hart板，不用刷新组态；二是更改刷新组态，请Daniel技术工程师更改组态，更改温变和压变对应Hart板的通道。
一般在夏季雷雨天气下容易出现流量计算机被雷击损坏的情况，特别是Hart板，更容易损坏，需要格外留意。
3.刷新组态
需要准备安装有S600软件的笔记本电脑和网线。首先把流量计算机的安全设置中选择“enable”可用，然后更改笔记本电脑的IP地址，使流量计算机与笔记本电脑在同一个局域网中，流量计算机的默认IP地址是“129.76.69.74”，用网线连接好后，在笔记本电脑上ping 流量计算机，如果能通讯上，表示连接已经建好。打开S600程序的“Config Transfer”后，在“transfer”菜单下选择“Network”，在“hostname”中输入流量计算机的IP地址。在“send”菜单中选择要刷新的组态，该组态需要提前放置在“Emerson Process Management\Config600\Configs”文件夹中，然后点击“Send Now”就开始刷新组态。在刷新组态过程中不能被打断，否则可能造成因组态不完整无法运行的情况。
二、无瞬时流量
可通过检查流量计算机S600的CPU板、流量计的超声换能器及信号放大单元判断。
1.CPU板故障
CPU板LED5指示灯不亮或显示红色。检查方法：笔记本电脑首先安装S600组态软件并激活，用网线与S600连接，把笔记本电脑的IP地址更改，建立与S600的通讯局域网，下载组态备用。更换使用备用CPU板，把组态刷到备用CPU板中，冷启动S600，检查指示灯状态。
2.流量计故障
CPU板LED5指示灯不亮或显示红色，表示流量计与流量计算机之间的通讯异常，需要检查流量计的超声换能器和信号放大单元。检查方法：笔记本电脑安装CU1软件，通过RS232数据线与流量计的J7端口相连，通过CU1软件检查在带压下四个声道是否有报警，如果是表示所有超声换能信号全部没有上传上来，需要拆卸下表头，紧固信号放大器，如果信号还传递不上去，表示信号放大器损坏，需要更换新的。
如果检查发现声道报警、信噪比异常、声道增益信号异常，可能是声道换能器损坏或信号放大器损坏，可以通过交叉接线的方法判断。超声波流量计的4对声道分别是A、B、C、D，如果C声道正常，D声道异常，把C1与D1、C2与D2分别对换，如果C声道异常，D声道正常，表示超声换能器损坏，可以拆卸、清洗信号放大器，如果仍然异常，则需要更换同型号的超声换能器；如果C声道正常，D声道异常，表示信号放大器损坏，需要更换同型号的信号放大器。
针对化工行业中的工艺条件选用超声波流量计的分类归纳，简述其工作原理、适用范围、主要特点以及选型要点，以及安装中的注意事项。
In the chemical industry the process condition selection of ultrasonic flowmeter are classified, summarized its work principle, scope of application, main characteristics and key points in selection, and installation notes.
关键词(keywords)：超声波流量计品种谱系分类特点
ultrasonic flowmeter Full spectrumclassified Characteristic
中图分类号：O644文献标识码： A
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用来测量流量的仪表。
1品种谱系类型
超声波流量计根据不同介质、性能要求、应用场所的不同，可分为以下几个层次，如图：
按照流路形态来区分的话，可分为封闭管线和明渠或者不满管两种，前者在化工行业中应用较多，后者多用于供水系统、污水治理以及水利工程、河道流量监测。
2测量原理
封闭管道按测量原理分类有：①传播时间法；②多普勒效应法；③波束偏移法；④相关法；⑤噪声法。其在化工行业中传播时间法应用最多，约占市场份额80％，多普勒法10％左右。本文将讨论本文主要讨论石化行业中用于测量封闭管道液体流量用得最多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。
选择液态流体用超声波流量计监测首先应考虑测量原理是传播时间法还是多普勒法？其主要的判断依据是：液体的洁净程度或者杂质含量，测量精度的要求。基本适用条件如下表所示。
而此两种测量原理分别介绍如下：
3.1 传播时间法
声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，称之传播时间法。按测量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频差法。现以时差法阐明工作原理。
如图1所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢，为：
(1)
反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快，为：
(2)
式（1）减式（2），并变换之，得
(3)
式中 L――超声波在换能器之间传播路径的长度，m;
X――传播路径的轴向分量，m;
t12、t21――从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间，s;
c――超声波在静止流体中的传播速度，m/s;
Vm――流体通过换能器1、2之间声道上平均流速，m/s。
3.2 多普勒（效应）法
多普勒法是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。
如图5所示，超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波，其值为
(4)
式中 v－散射体运动速度。
多普勒频移fd正比于散射体流动速度
(5)
测量对象确定后，式（5）右边除v外均为常量，移行后得
(6)
4超声波流量计的安装
4.1 组成
主要由安装在测量管道上的超声换能器或由换能器和测量管组成的超声流量传感器）和转换器组成。
4.2流量传感器或换能器的安装
流量传感器（即带测量管段的插入式换能器总成）的安装
1） 安装本类流量传感器时管网必须停流，测量点管道必须截断后接入流量传感器。
2） 连接流量传感器的管道内径必须与流量传感器相同，其差别应在±1％以内。
3） 流量传感器上的传感器尽可能在如图10所示与水平直径成45度的范围内，避免在垂直直径位置附近安装。
4） 测量液体时安装位置必须充满液体。
5） 上下游应有必要的直管段。
4.3外夹装式换能器的安装
上面2）、3）、4）、5）各项应同样注意外，还应注意以下各点。
1） 剥净安装段内保温层和保护层，并把换能器按装处的壁面打磨干净。避免局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。
2） 对于垂直设置的管道，若为单声道传播时间法仪表，换能器的安装位置应尽可能在上游弯管的弯轴平面内（见图11），以获得弯管流场畸变后较接近的平均值。
3） 换能器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝，如图12以V法示例。
4.4 分类
可以从不同角度对超声流量测量方法和换能器（或传感器）进行分类。
（1） 按测量原理分类
封闭管道用USF按测量原理有5种，现在用得最多的是传播时间法和多普勒法两大类。
（2） 按被测介质分类
有气体用和液体用两类。传播时间法USF两种介质各自专用，因换能器工作频率各异，通常气体在100~300kHz之间，液体在1~5MHz之间。气体仪表不能用夹装式换能器，因固体和气体边界间超声波传播效率较低。
（3） 传播时间法按声道数分类
按声道数分类常用的有单声道、双声道、四声道和八声道四种。近年有出现三声道、五声道和六声道。四声道及以上的多声道配置对提高测量精度起很大作用。各声道按换能器分布位置（见图8），又可分为以下几种。
1） 单声道 有Z法（透过法）和V法（反射法）两种。
2） 双声道 有X法（2Z法、交差法）、2V法和平行法三种。
3） 四声道 有4Z法和平行法两种。
4） 八声道 有平行法和两平行四声道交差法二种。
（4） 按换能器安装方式分类有、
1） 可移动安装
2） 固定安装
4.3 声道设置和直管段要求
多普勒法通常只有单套发送和接收换能器；便携式外夹装换能器传播时间法USF通常也只有单声道，其他夹装式则也有用双声道者，带测量管段式有单声道和双声道以上。
表2例举几个不同来源提出的要求，可作为选型时的一般依据。
(1)参考文献[4];(2)Westinghouse公司样本(3)Krohne公司样本。
4.5 安装注意事项
1） 安装位置和流动方向超声波流量计的流量传感部分（超声流量传感器或超声换能器）一般均可安装于水平、倾斜或垂直管道。垂直管道最好选择自下而上流动的场所，若为自上而下，则其下游应有足够的背压，例如有高于测量点的后续管道，以防止测量点出现非满管流。
2） 单向流还是双向流 通常为单向流，但也可通过较复杂电子线路，设计成双向流动，此时流量测量点两侧直管段长度均应按上游直管段的要求布置。
3） 管道条件外夹装式管道内表面积沉积层会产生声波不良传输和偏离预期声道路径和长度，应予避免；外表面因易于处理较少影响。夹装式换能器和管道接触表面要涂上耦合剂。应注意粒状结构材料（例如铸铁、混凝土）的管道，很可能声波被分散，大部分声波传送不到流体而降低性能。换能器安装处管道衬里或锈蚀层与管壁之间不能有缝隙。用V法的反设处必须避开焊缝和接口（参见图11）。
4） 上游流动扰动 与大部分其他流量仪表一样，USF敏感于流过仪表的流速分布剖面，因此也要求相当长度的上游直管段。
5超声波流量计选用注意事项
根据石化行业的应用情况来看，该两种测量方式的适用性综述如下：
多普勒法要比传播时间法适用悬浮颗粒含量上限高得多，而且可以测量连续混入气泡的液体。但是根据测量原理，被测介质中必须含有一定数量的散射体，否则仪表就不能正常工作。
传播时间法超声波流量计只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；而多普勒法只能用于测量含有一定异相的液体。
关键词：超声波流量计 测量原理 安装 缺点
中文图号：TE832 文献标识码：B
引言：
超声波流量计最近十几年越来越广泛应用于天然气长输管道流量测量或计量过程中，因其无需直接接触被测介质，可以在管道器壁外直接实现测量，避免了管输生产运行因接触测量而产生的影响，使安全生产有了进一步的保障。采用超声波流量计时无需在长输天然气管道内部安装测量元件，不改变天然气长输管道内部的流动状态，不产生附加阻力。超声波流量计的的安装、检修及日常运行维护均不影响天然气管线正常工艺生产运行，因此是一种较为理想的流量计量仪表。同时几乎不受管道内介质运行的压力、易燃性易爆等恶劣条件影响，在仪表选用上可以选择便携式测量和普通非接触式测量两种测量方式，极大地解决了常规仪表必须采用接触式这一测量方式的一些弊端，可以方便地实现有毒有害、易燃易爆、腐蚀性介质的流量测量。根据检测的方式主要可以分为多普勒式和传播速度差式两大类，主要介绍了最为常用的多普勒超声波流量计测量原理、安装注意事项及存在的测量缺点。
一、多普勒频移超声波流量计测量原理
图1原理示意图
如图1所示，换能器T发射极向管道内发射超声波，管道内介质流速为V，声速为C，则管道中的粒子将以速度离去。若换能器发射超声波的频率为H1，粒子接收到的频率为H2。
…………（1）
粒子反射给接收器的声波频率为HS：
…………（2）
方程（1）、（2）联立可得：
公式中声速C远大于介质流速V，即C>>V，可得：
因此
式中：?H称为多普勒频率，多普勒频率域流体流速成比例关系。
二、安装注意事项
1.超声波流量计传感单元安装时需在管道停运状态下完成，一般设计为两路支线分别切换进行安装。
2.测量仪表的传感单元尺寸必须与管输内外径相一致，其误差应控制在±1%以内，以免安装产生偏差；
3.为了能够有效避免换能器声波表面受颗粒或空气的干扰，超声波流量计传感单元最好选在在与水平方向呈45°的范围内安装，尽量避免干扰。
4.上下游应保证有必要的直管段，上游直管段最少为 10D，下游直管段至少为5D[1]；
5.对管道壁有防腐保温层时，应先拆除防腐保温层，再将出的管道壁进行打磨清理直至露出金属光泽，同时避免管道器壁出现新的凹痕或凸点。
6.超声波流量计安装需要前后避开阻力构件如（弯头、阀门、变径处），如在垂直管道安装，其换能器的安装位需在上游弯管的弯轴平面内，以获得弯管流场畸变后较接近的平均值；
7.换能器安装处和管道壁反射处必须避开接口和焊缝；
8.换能器安装处的管道衬里和垢层不能太厚，衬里和管壁间不能有间隙，同时内壁做好清锈工作；
9.换能器工作面与管输器壁间应选用合适的耦合剂，保证连接面无杂质颗粒或空气存在，避免超声波传输过程中引入不同传播媒介而产生的误差；
10.多普勒法夹装式换能器可以选用同侧安装方案和对称安装方案，一般情况下，对于管输直径较小的建议选用对称安装方案，而同侧安装方案更适用于液相测量介质或含悬浮颗粒或气泡较多的液体。
三、目前存在的测量缺点：
超声波流量计目前存在的缺点首先是可测流体的温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。工业流量计量介质流速一般为每秒几米，超声波在气相介质中的传播速度一般情况小于1600M/S，因此工艺介质流速与超声波在工艺介质传播速度之比大于10-3，在理论推导计算时忽略此部分存在计量误差增大。一般计量精度要求达到1%[2]，因此需要在处理计算时增加误差补偿实现削减误差，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前提下才能得到实际应用的原因。其次在气相介质测量时由于噪声也会引起超声波流量计的准确精度，测量气相介质时，超声波流量计上下游的阻尼原件（如阀门、弯头、变径等）会产生除了能达到人耳频率范围内声音外还能产生人耳无法听到高频超声波，当这种声波的频率与气体超声波流量计的工作频率相近时气体超声波流量计信噪比降低，从而影响流量计的测量准确度。此外被测介质的颗粒大小以及杂质含量也对测量精度产生影响，特别是在天然气净
化厂出厂后没有达到净化指标，造成管输过程介质微粒体积不均衡，影响超声波传播和反射时间，导致延迟或提前，致使流量计工作不正常，影响超声波流量计计量精度。
四、结束语
超声波流量计作为近些年应用于天然气管道流量测量或计量用仪表，其有效地避免了常规接触式流量测量仪表一些缺陷，避免的管道内工艺介质的泄露、腐蚀、有毒有害等因素影响，对于专业技术人员应充分掌握超声波流量计的工作特点、工作原理及产生计量精度偏差原因，才能更好地了解它，使用它，使其更好地服务于天然气管输计量。
参考文献：
关键词： 测量原理 流量计 选型
中图分类号： P2 文献标识码： A
Abstract：This paper introduces the theory,characteristic,selection principle for commonly used flowmeters among industrial production,illustrates how to choose suitable flowmeters in practice.
Key words：principle of measurement;flow meter;type selection
在工业生产中，流量的测量是一种常见的测量需求，而流量测量的方法及测量仪表种类繁多，原因就在于至今仍未找到一种能适用于任何流体、任何量程、任何工况的流量仪表。
由于流量测量技术与流量计类型繁多，测量对象复杂多样，决定了流量计在应用技术上的复杂性，因此，流量计选型具有很强的技术性和实用性，首先必须了解清楚被测量对象的工况条件、物理化学性质、测量范围等；其次要掌握各种流量计的工作原理，以及它们的适用场合，使用条件和所具有的特性品质等；最后还要掌握各个品牌厂家的产品信息。
1常用的流量计
流量测量技术按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。本文介绍并比较3种目前最广泛使用的体积流量计：差压式流量计、电磁式流量计、超声波流量计。
1.1差压式流量计
充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图4.1所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、粘度)不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。
图4.1
流量方程：
（4.1）
（4.2）
式中 --瞬时质量流量，kg/s;
--瞬时体积流量，/s;
C--流出系数；
ε--可膨胀性系数；
β--直径比，β=d/D;
d--工作条件下节流件的孔径，m； D--工作条件下上游管道内径，m；
P--差压，Pa；
--上游流体密度，kg/m3。
由上式可见，流量为C、ε、d、ρ、P、β(D)6个参数的函数，而在介质一定的情况下C、ε、d、ρ、β(D)为常量，故只需测量高压端与低压端差压P即可计算出流量。
差压式流量计的优点：（1）无需实流校准，即可投用；（2）结构易于复制，简单、牢固、性能稳定可靠、价格低廉；（3）应用范围广，包括全部单相流体（液、气、蒸汽）、部分混相流，具有多种管径、工作状态(温度、压力)的产品；（4）检测件和差压显示仪表可分开不同厂家生产，品牌选择广泛。
差压式流量计的缺点：（1）测量精度普遍偏低；（2）范围度窄，一般仅3：1～4：1；（3）现场安装条件要求高；（4）压损大（指孔板、喷嘴等）。
1.2 电磁流量计
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。
图4.2
当导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体中会产生感应电势，感应电势的大小与导体在磁场中的有效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度成正比。同理，导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁感应力线时，也会在管道两边的电极上产生感应电势。感应电势的方向由右手定则判定，感应电势的大小由下式确定：
（4.3）
式中K---仪表常数；
E---感应电势，V；
B---磁感应强度，T
D---管道内径，m
---液体的平均流速，m/s
而体积流量等于流体的流速与管道截面积的乘积：
（4.4）
由（4.3）、（4.4）可得 （4.5）
由4.5可见在管道上安装好电磁流量计后通过感应电势即可求得通过管道的瞬时体积流量。
电磁流量计优点：(1)由于测量通道是段光滑直管，不会阻塞，可用来测量工业导电液体或浆液，特别适用于固体颗粒的液固二相流体，如纸浆、污水、泥浆等；(2)无压损，节能效果好；(3) 不受流体的温度、压力、密度和粘度的影响；(4)流量范围大，口径范围宽；(5)适用于腐蚀性流体的测量。
电磁流量计缺点：(1)不适用测量由释放的石油制品流体；(2)不适用气体、蒸汽及含有较大气泡的液体；(3)不适用高温场合。
1.3超声波流量计
超声波流量计根绝测量原理主要可分为时差式超声波流量计和多普勒超声波流量计。
1.3.1时差式超声波流量计
时差法超声波流量计是利用声波在流体中顺流、逆流相同距离时存在时间差，并根据时间差得出流体的流速，进而得出流体的流量。
图4.3
如图所示，在管道内径为D的管子两侧夹装A、B两个换能器，流体速为，设超声波在流体中的流速为C，超声波顺流时从A到B的时间为，超声波逆流时从B到A的时间为，超声波在管外、管壁中及延迟时间总和为，则有：
（4.6）
（4.7）
（4.8）
因，故可以简化为 （4.9）
（4.10）
而体积流量等于流体的流速与管道截面积的乘积：
（4.11）
（4.12）
由式可见管道安装换能器后只需测出超声波在A、B换能器之间传播的时间差即可求得通过管道的瞬时体积流量。
时差式超声波流量计的优点：安装方便、不影响流体流动、测量范围宽、精度高，特别适用临时测量、大口径特殊介质流量测量。
时差式超声波流量计的缺点：适用测量洁净无杂质流体流量测量。
1.3.2多普勒超声波流量计
多普勒超声波测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒3可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量。如图所示：
图4.4
换能器发射超声波与沿流速轴线方向夹角，固定声源频率为，超声波在流体中传播速度为C，流体中颗粒流速同流体流速为。当换能器B发射固定频率时，颗粒收到的声波频率（4.13）
当该颗粒将的声波反射回去，换能器A接受到的声波频率：
（4.14）
故多普勒频率（4.15）
若C，则，从而 （4.16）
而体积流量等于流体的流速与管道截面积的乘积：
（4.17）
（4.18）
可见，多普勒频移法只需测出固定频率声波在流体中的频移即可求得管道的瞬时体积流量。
多普勒超声波流量计优点：安装方便、无压损、可测含固体颗粒或气泡的流体。
多普勒超声波流量计缺点：不能测洁净液体流量、测量精度不高。
2 流量计选型原则
流量计的选型对能否准确测量被测流体的流量起着很重要的作用。因现场工况复杂，介质种类繁多，没有一种流量计能完全适用不同介质各种工况的流量测量。在选择流量计时需了解流量计的性能以及现场工况的各个参数，并综合考虑安装环境条件、经济因素等才能选好适用且满足要求的流量计。
1）准确度、重复性、线性度、范围度、流量范围、信号输出特、响应时间、压力损失等仪表性能。
2）流体温度、压力、密度 粘度、化学腐蚀、磨蚀性、电导率、声速等流体参数。
3）管道布置方向、流动方向、检测件上下游侧直管段长度、管道口径、电源等安装情况。
4）环境温度、湿度、电磁干扰、安全性、防爆、管道振动等环境因素。
5）仪表购置费、安装费、运行费、校验费、维修费仪表使用寿命、备品备件等费用情况。
3 结束语
由上可知，流量计已是发展成熟并广泛应用于现场生产。同时流量计种类繁多，没有一种流量计能适用任何场合，没有一种流量计能准确测量任何介质的流量。故需对各种流量计的性能相当熟悉，并在了解被测对象的情况下，综合考虑环境、经济等因素，才能选择出最适合的流量计。
参考文献：
[1] 祥.流量仪表原理和应用[M].南京:华东化工学院出版社,1992.
关键词 蜗壳差压;超声波流量计;系统标定;流量
中图分类号[TM622] 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)24-0167-02
0 引言
十三陵蓄能电厂#3机大修要对#2水道进行排空检查。为防止排水速度过快导致高压钢管受损,要求实时监测机组的排水流量。另外,在机组状态监测和水轮机效率试验中,水轮机流量是必不可少的数据之一。
1 蜗壳差压法监测机组排水流量的可行性分析
1.1 理论上流量与蜗壳差压之间的关系
我们考虑用蜗壳差压法监测机组排水流量,现在的条件是:蜗壳差压变送器输出的4~20mA的模拟量送到监控,显示一个差压值。我们之所以选择蜗壳差压法,是因为它的原理比较简单,精度能满足要求,常为水电站采用。其原理是具有一定流速的水流流经水轮机蜗壳时,由于蜗壳中心线弯曲,水流在弯曲流道上产生离心力,使得蜗壳内、外缘两点间产生压力差,根据伯努利方程:
由连续性方程:
S1v1=S2v'2
p'1p'2――流体在两个截面的静压力;
v1v'2――流体在两个截面的平均流速;
――流体(不可压缩)密度;
g――重力加速度;
S1S2――两个截面的截面积。
可以推导出通过水轮机的流量与蜗壳差压之间的关系:
Q=C×D0.5 其中D-p'1-p'2 式(1)
1.2 通过水轮机效率试验验证这种关系
为了验证测压孔安装准确,实践中蜗壳差压可以反映水轮机相对流量,我们作了水轮机工况实验。根据水力发电的基本方程:
P=9.81HQ;
P――水流的理论出力;
H――水轮机的平均水头;
Q――水轮机流量。
可以看出,如果蜗壳差压可以反映水轮机相对流量,那么在短时间内,即水头变化很小的情况下,差压变送器输出电流就应该和有功功率成线性关系。
因此,用SFC将蜗壳差压变送器由线性输出改为开方输出,回路中串接电流表,监视变送器4~20mA电流输出。
将数据生成关系曲线便可以看出二者成线性关系,即蜗壳差压可以反映水轮机相对流量。
2 流量系数C的标定
然而这个流量究竟是多少呢?由于水流流态复杂,且产生差压的部件制作工艺及安装条件的差异难于采用理论计算的方法确定差压与流量的关系,但装置选定后,可采用公认的测量技术对该差压测流系数进行标定,即计算出式(1)中的流量系数C,从而保证流量结果的精确度。
2.1 标定工具选择
十三陵蓄能电厂采用的这种公认的测量技术是超声波频差法测量流量。它是通过测量顺流和逆流时超声波的重复频率差来测量流量的,与声速无关,因而可以排除流体各物理参数对测量结果的影响。
我们采用的设备是美国ORE公司生产的7500型超声波流量计,配有7601型超声波换能器和7520型终端。流量通过测量压力钢管上多对声波换能器之间声脉冲传播时间差而确定。十六只7610型声波换能器在压力钢管四个不同高度的弦上构成八组水平声道。换能器对构成两个相交的平面。每个平面与流动方向形成65°的标称角。所有换能器必须用精密经纬仪精确的确定它们在压力钢管上的位置。换能器布置图略。
然后将声道长度、角度和压力钢管平均半径值输入到流量计。已知声道长度、夹角以及声波沿声道的传播时间差,则可以计算各个点的速度,采用十字交叉声道时,可以确定一个趋于真值的平均速度矢量。利用这种十字交叉平面布置,当平均流线与钢管中心线不平行时,测得的流量值比单个测量平面布置得到的流量值准确。对每个声道测得的流速沿压力钢管的截面积积分,便得到流量。
2.2 标定过程
下面我们通过#4机组性能试验说明一下蜗壳差压变送器的标定过程。
首先,将蜗壳差压变送器测得的差压值和超声波流量计测得的水轮机流量转换成4~20mA的电流输出,接入录波仪,选择发电工况开机,采集的数据。将采集到的离散数据输入计算机,形成趋势线,再用乘幂法拟合得到关系式:水轮机流量=5.1436×蜗壳差压值0.4897。
由上可以看出对照式一的系数5.1436偏大。所以,我们又将蜗壳差压值开方处理后输入计算机,得到蜗壳差压和流量之间的关系曲线。二者成线性关系,其关系式:水轮机流量=4.8261×蜗壳差压值0.5+0.7917对比式一Q=C×D0.5,我们可以得出流量系数C≈4.8261(该曲线未过(0,0)点属于随机误差,可以忽略)。
利用得到的流量系数,在监控DCS上进行组态,我们就可以在监控画面上实时监视到机组流量了。
3 应用效果
实践过程中这一技术在十三陵蓄能电厂#2水道排空作业中起到关键作用,运行人员在中控室就可以实时监控排水流量。机组大修后这个流量信号直接接到状态监测装置上,为其提供了必不可少的数据。实践证明这个方法行之有效,其它机组可以采用同样的方法测量水轮机流量。在推广过程中,我们发现了#3机蜗壳差压测压孔取错了,并利用大修机会及时作了纠正。
4 结论
1)蜗壳差压测流量适用性强。由于超声波流量计换能器要求安装精度高,与之对应的工作环境又十分恶劣,加之多次检修球阀需要拆装换能器,导致中心偏离产生噪声干扰,所以超声波流量计试用于新装机组的高精度标定,不适合日常计量使用。相反,差压变送器一经标定,便可以部分的代替超声波流量计的功能。其数据可以直接应用于水轮机组状态监测,为效率试验提供可靠数据。
2)经济性好。水轮机组安装完毕后,蜗壳差压变送器测压孔通常已经预留好了,无须安装新设备,日常维护量几乎等于零。
3)可以作超声波流量计的比对依据,由于蜗壳差压测流量的原理独特,可以作为检修后的超声波流量计的校验依据。
参考文献
[1]李军,贺庆之.监测技术及仪表.
关键词：电磁流量计 监控系统
中图分类号：X924文献标识码： A
1流量计的选型
流量计计量的准确性，对企业的成本核算、能耗等重要指标的计算会产生较大影响，故选择运行稳定、质量保证、计量准确的流量计极其重要。随着科学技术的发展，流量计品种越来越多，性能各异，技术参数及使用条件也各不相同，所以选型时应先了解流量计的性能特点并结合本单位的使用工况。
1.1几种流量计特点比较：
1、叶轮式流量计：叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流动流体的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。叶轮式流量计主要有水表和涡轮流量计，输出方式有机械传动或电脉冲两种。机械式传动输出的水表准确度较低，误差约±2％；电脉冲信号输出的涡轮流量计的准确度较高，一般误差为±0．2％--0．5％。
2、电磁流量计：电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律，即导电液体在磁场中切割磁力线运动时，导体中产生感应电动势，而感应电动势又和磁感应强度、流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。主要有管道式和插入式两种。管道式精度等级为±1.5%--±2.5%，高精度的达到±0.5%--±1.0%；插入式的精度为±1.5%--±2.5%。由于插入式结构上的缺陷和安装时的误差就会影响计量精度，所以选用管道式更好些。
3、超声波流量计：超声波流量计是以超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。分多普勒超声波流量计和时差式超声波流量计，目前多采用了时差式超声波流量计。根据使用场合不同，又可以分为固定式超声流量计和便携式超声流量计。固定式超声流量计又分为外夹式、插入式、管段式三种。固定式超声波流量计因某些管道材质疏松、壁厚不一、导声不良或锈蚀严重，衬里和管壁有间隙等原因、造成超声波信号衰减严重。
1.2 流量计选型的基本要求：
1、流量计精度要高、运行要稳定。
2、过水压力损失小。
3、如果用户用水量变化较大或用水分布很不均衡，则要求流量计量程比要大些。
4、灵敏度要高，满足低流速计量的准确。
5、流量计对现场工况不要太敏感。
6、根据需要选择可以正反方向测流量。
7、运行可靠、经久耐用、维护方便。
几种可以进行比较的流量计的性能特点，见表1。
根据以上几种流量计特点、流量计选型的基本要求和国内外选用流量计的趋势，选用智能化、无压损的电磁流量计、超声波流量计较合理。而从成熟的电路技术、测量的稳定性、灵敏性和精确度、技术特点、安装维护要求、安装点使用工况、易于远程监控等方面比较，选择电磁流量计比超声波流量计更适合。事实上，公司计量科多年来坚持定期对在线电磁流量计进行现场比对检测，相对误差都满足要求。
2电磁流量计的远程监控管理
2.1远程监控系统的组成
电磁流量计远程监控因为使用现场地点与北海自来水公司调度中心管理系统传输方式的不同而不同。其中禾塘、龙潭水厂电磁流量计输出数据经总线输入禾塘、龙潭水厂调度主机，通过adsl vpn或无线专网将数据传输到公司调度中心系统；合浦工业园电磁流量计远程监控是由现场远传终端设备通过gprs将数据传输到公司调度中心系统。
2.2电磁流量计现场远程监控终端系统（以合浦工业园电磁流量计现场远传终端为例）
合浦工业园电磁流量计现场远传终端设备由以下几部份组成：
1．电磁流量计：包括传ifs4000f传感器和ifc300w信号转换器。
2．plc：选用西门子s7-200/224，含ai模块及数据采集处理软件等。
3．dtu设备：主动拨上gprs网络，透明传输协议。
4．直流稳压电源：普通开关电源，为plc、dtu和一次仪表提供24v直流电源。
5．不间断电源：为电磁流量计交流用电停电、断电时提供电源。
6．天馈系统：dtu配套普通软质手机天线，可直接安装在控制箱顶。
7．机箱。
8．电源避雷器：选用进口避雷器，具备自修复功能。
基本的工作原理：电磁流量计输出数据传输到现场终端plc，在dtu上主动拨上gprs网络，与数据中心(dsc)实现tcp/ip协议进行双向通信，由dtu软件和用户设备通过rs-232/485实现透明可靠的数据传输，将数据传输到北海自来水公司调度中心管理系统实行远程实时监控。
合浦工业园电磁流量计远程监控系统图如下图：
3电磁流量计的远程监控效果
北海自来水公司自从08年起对5个电磁流量计进行远程实时监控，有效地对公司供水情况和管网情况进行实时了解，及时发现现场计量设备和运行情况，运行四年多来，效果令人满意，达到了远程监控的预期效果。
3.1 对供水、用水情况进行实时监控
通过对电磁流量读报实时监控，能及时了解生产水的供水规律和合浦工业园的用水规律，对供水和用水情况进行分析、统计，可进一步了解整个管网运行情况，科学地进行供水调度。从图3中可以查询各测压点水压、各流量计的实时数据如瞬时流量、累计流量等。
3.2提供异常水量水费的结算依据
根据电磁流量计运行数据和远程监控数据，利用系统可以对供水和用水的历史数据进行多时段、多参数查询，从中可以计算某时段的水量，较准确处理异常用水计量纠纷。
3.3计量故障的及时报警
停电、断电或没有传输数据时会产生报警显示等，通过报警能及时采取措施，减少损失，降低漏失率，提高水司的效益。
4电磁流量计远程监控管理中存在问题
4.1 现场远传终端电源供电问题
由于合浦工业园结算电磁流量计使用的电源从园区中的中粮公司接线，用电权限一直处于被动，曾经出现多次人为或意外的断电现象，随后安装了不间断电源，短期的断电（约6小时）可由不间断电源向电磁流量计供电，并由终端设备向公司调度中心发出断电报告，但长时间的停电还是会产生不计量水量的，将造成供水企业与用水户之间的水量核算纠纷。经过多方协调，现在人为断电情况已很少发生。
4.2 电磁流量计准确性
公司出厂水流量计使用多年来比较满意.但作为贸易结算的合浦工业园dn600电磁流量计选择口径时有点不匹配,因为合浦工业园目前只有中粮集团这个用水大户,其它用户用水较少。在2007年11月至2009年5月，每天用水分布很不均衡,瞬时流量在26-800m3/h以内波动。在170-300m3/h流量的低流速时用便携式超声波流量计比对检测相对误差为2.8%，在300-600m3/h流量的流速时比对检测相对误差为1.6%.所以低流速时相对误差偏大。随着合浦工业园用户和水量的增加，电磁流量计准确性是能够保证的。
4.3 防雷问题
突出问题是合浦工业园电磁流量计计量房选址空旷，故在2008年4月份信号转换器受到雷击,更换信号转换器后加强了双重防雷措施，经过调试电磁流量计计量准确，数据传输很正常。但北海是南方沿海城市，是台风、雷击重灾区，加上雷电强度的不可预知，防汛防雷工作要常抓不懈。
4.4 防鼠问题
南方沿海城市鼠害是很严重的，所以要加强计量井内电缆和计量间内信号电缆的防鼠工作，避免老鼠咬断电缆引起不计量或数据信号的传输。
4.5 流量计的周期检定
由于电磁流量计不能拆出检定，所以周检比较麻烦，只能作现场检定，费用较高。合浦工业园电磁流量计从正常使用至今，在08年12月、09年10月分别请广西计量检测研究院进行了两次现场检定，相对误差均满足计量精度要求，拥有合格检定证书。
4.6 长期可靠的维护费用
例如合浦工业园电磁流量计现场远传终端采用了流量计、远传设备、交流供电、不间断电源供电和gprs的方式由公司调度中心调度系统进行实时远程监控，需要电源供电、通信费用、设备维护费、车辆交通和人员的维护费等，要搞好这些管理工作，才能保证更好地实施电磁流量计远传监控管理，以较低的投入使公司获得较大的可持续的经济效益。
关键词：浅析 生产用水 计量管理
【分类号】F273
一 、前言
水是人类宝贵的资源。当今，水资源的缺乏已经是一个日益严重的问题。如何有效利用现有的水资源被世界各地所普遍关注。“合理用水，节约用水”已是一个全名关注的焦点，其中计量是企业的核算之魂，水的计量问题是关键，如何提高水的计量精度，需要加强设备的管理。在石化企业生产过程中需要大量的新水、循环水、软化水等，每处用水都需要配备或安装计量仪表。无论选用哪种计量仪表都会有计量误差，如何减小计量误差提高供用水计量精度是我们企业计量人员必须考虑的大问题。
二、近些年我厂生产使用新水的现状
近些年来我厂新水的不明用量居高不下，装置新水单耗超标，生产成本较高，经济效益提高缓慢。生产用水计量表管理有以下几点：
2.1用水计量表计选择的不合适。
2.2计量表计的安装不符合计量表的要求。
2.3计量仪表的维护不到位。
2.4未与便携式超声波流量计进行比对。
2.5计量表未按时校验。
三、采用多种措施进行计量管理
3.1根据不同的供用水情况选择合适的计量仪表。计量仪表选用要根据仪表使用特性综合分析供用水部位各方面情况，尽量克服因工艺原因造成的计量误差加大问题。
3.1.1、对于供用水计量分厂级、车间（装置）级两种，厂级装表一般起计量监督作用，此表选用极为关键。掌握以下原则：供水流量及管道口径较小时可选用机械式水表，如果水中赃物较多、精度要求较高可选用电子式流量计；对于供水流量及管道口径较大时，像DN200mm以上的管道在设计安装计量仪表时最好选用满管式超声波流量计。
3.1.2、对于小流量供用水系统的计量问题，如：变电所、周围的小化工厂、物资库等，消防和生活用水都来自大企业的供用水系统，往往是一根管线DN80或DN100双重功能，常规计量仪表也是按此口径设计的，平时用水计量仪表根本没有显示，长久下来对供水企业也是一个不小的经济损失。针对口径大用量小的用户可以采用一种旋翼复式母子水表，它是由一个大流量水表、一个小流量水表和一个转换装置组成的一种在线水。适合非连续性大流量供用水计量使用。
3.2抓好计量仪表安装。计量仪表安装对计量精度也有一定影响，我们要严格按规范进行施工重点解决好以下问题：
3.2.1 在管道铺设和维修时要认真进行清扫和冲洗，杜绝外界杂物（如碎石、塑料编织带等）进入管道内堵塞或损坏计量仪表。
3.2.2 计量仪表前后应留有一定的直线管段，保证前10D后5D。
3.2.3 计量仪表安装处应保证水流充满管道。
3.2.4 在地井里安装的计量仪表要做好防水防潮处理；露天装放的计量仪表要做好防冬保温工作。
3.3抓好计量仪表级的维护。应好以下工作：
3.3.1 配备合理、技术精湛的仪表维护人员，按期巡检，发现问题及时处理。
3.3.2 定期清理计量仪表腔体，保证无杂物或运转部件转动灵活。
3.3.3 定期周检计量仪表，视供用水部位确定检定周期。
3.3.4 有条件的企业每半年组织对大口径供用水计量仪表进行现场检测。
3.4周期性的使用便携式超声波流量计比对现场计量仪表的误差。
使用E+H便携式超声波流量计可以比对现场计量仪表的误差，它常用于水处理行业及石化化工行业。超声波流量计测量的准确度几乎不受备测流体得温度、压力、密度、电导率等的影响。有很大的动机性，适用于临时性测量。
便携式超声波流量计在线检测时只要把管道外径和壁厚正确的输入，根据超声波反馈的长度，把探头按要求正确安装（探头安装处的管线要光滑，并涂有适量的专用超声波耦合剂，要保证探头和管壁之间没有缝隙）固定后，开始检测。此时记录好开始检测的时间，把超声波流量计中显示的瞬时数和累计数分别做好记录。同时也做好原在线计量仪表的数据。检测至1小时、2小时、3小时、5小时等均可。检测时间到后，再次分别把两块仪表的检测数据记录做好，开始比对两块仪表的误差，核算其每小时、每天、每月装置单耗的实际流量。
3.5计量仪表要实施周期检定
《计量法》规定，对在用计量器具必须实行周期检定。对水表、电表、能源表等特殊计量器具实行使用前的首次计量检定，到期轮换。为保证使用中的计量仪表性能和量值准确的主要措施。因为任何一种计量器具在使用一定时间后由于磨损、老化加之使用环境的温度、湿度等客观条件的变化，都会造成其量值的变化，出现量值的失准。国家对不同计量仪表都规定了严格的使用周期，通过周期检定来修正使用计量器具出现的误差，从而保证量值的准确。因此对在用计量仪表必须实施周期检定。
四、实施效果
在没有对生产用新水的计量管理进行以上措施时之前，新水的不明用量2011年最高达到268313万吨/年。成立攻关小组后按以上措施进行全范围的攻关后，新水不明用量有明细的、较大幅度的下降。
五 结束语
从新水计量仪表的选型、安装、维护、比对、周期检定来提高新水供用水的精度，每一个环节按要求、按标准，以此来提供供用水的精度。提高供用水计量精度是企业计量管理的一项重要内容，我们要引起重视做好工作，可以使用以上几个措施进行检测。为企业的节能降耗提供保证，使企业产生巨大的经济效益。
参考文献
