超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)及在電廠流量測(cè)量上的應(yīng)用

苗志強(qiáng)　梁海雷

摘 要：文章首先概述了超聲波流量計(jì)在實(shí)踐中的測(cè)量基本原理以及不同角度的分類(lèi)，然后對(duì)超聲波流量計(jì)的基本特點(diǎn)以及存在的缺陷進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，最后通過(guò)案例詳細(xì)分析了在電廠流量測(cè)量實(shí)踐中超聲波流量計(jì)的成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)；案例運(yùn)用；流量測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）17-0117-02

1 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理概述

1.1 超聲波流量計(jì)基本原理

在流動(dòng)流體中流體的運(yùn)行速度與超聲波的傳播速度之間存在著一定的關(guān)系，與固定坐標(biāo)系相比，超聲波的順流中的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在逆流中的傳播速度。為了更好地對(duì)流量速度進(jìn)行測(cè)量，首先需要準(zhǔn)備一個(gè)能夠發(fā)射超聲波的超聲波探頭（即換能器），一般可以采用石英等制作成某種元件器件作為流量計(jì)中的超聲波探頭，由此可以在進(jìn)行超聲波發(fā)射的時(shí)候充分使用負(fù)壓電高頻電脈沖的作用力使得壓電晶體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高頻振動(dòng)，從而最終實(shí)現(xiàn)有一定脈沖變化的超聲波發(fā)射效應(yīng)。超聲波可以從一定的角度發(fā)射進(jìn)入到流體中進(jìn)行傳播，然后在超聲波換能器的作用之下實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的接收效能，與此同時(shí)，超聲波換能器再一次經(jīng)過(guò)一定的環(huán)節(jié)將高頻電脈沖信號(hào)成功轉(zhuǎn)換。從上述分析可以知道對(duì)同一個(gè)超聲波換能器進(jìn)行輪流性的使用可以成功發(fā)射不同類(lèi)型的脈沖壓力波，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)接受功能。

對(duì)超聲波流量計(jì)可以從如下幾個(gè)角度進(jìn)行分類(lèi)：一是按照基本原理可以將超聲波流量計(jì)分為時(shí)差法、聲環(huán)法、相位差法、相關(guān)法、沃街法以及多普勒法等；二是按照超聲波探頭的安裝方式可以將超聲波流量計(jì)分為外縛式以及插入式、插入式又可以按照是否帶有測(cè)量管段來(lái)進(jìn)行區(qū)分；三是根據(jù)聲道數(shù)量可以將超聲波流量計(jì)分為多聲道和單聲道兩種類(lèi)型；四是按照超聲波的性能特點(diǎn)可以將超聲波流量計(jì)分為便攜式、固定式、標(biāo)準(zhǔn)型以及低溫防水型等。

1.2 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

從上述分析中，可以知道超聲波流量計(jì)有多種類(lèi)型，這里主要對(duì)時(shí)差法和多普勒測(cè)量法兩種方法的測(cè)量原理進(jìn)行詳細(xì)概述。

時(shí)差法測(cè)量原理如圖1所示，時(shí)差法測(cè)量一般情況之下是運(yùn)用所測(cè)量流體傳播聲波來(lái)進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)不同傳播速度流體特征來(lái)測(cè)量他們?cè)诓煌鲃?dòng)方向的傳播速度之間的差值，從而最終測(cè)量出流體的流動(dòng)流量以及相應(yīng)的速度。

多普勒法超聲波在進(jìn)行流體流量測(cè)量實(shí)踐中的基本原理如圖2所示，這是在超聲波在進(jìn)行流體流量測(cè)量實(shí)踐中所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)對(duì)相應(yīng)的頻率差進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，由于主要是使用某一個(gè)固定的聲源作為相應(yīng)的發(fā)生器，隨著流體與某一運(yùn)動(dòng)聲源之前的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促使該物體進(jìn)入到超聲波中并最終出現(xiàn)超聲波接收器的反射接收。進(jìn)入超聲波和發(fā)射超聲波二者之間的頻率差就是運(yùn)動(dòng)物件所產(chǎn)生的多普勒頻移，并且所測(cè)量的多普勒頻率差與流體流速之間呈現(xiàn)出一定的正比例關(guān)系，因此可以如果可以求出多普勒頻率差，就可以相應(yīng)得到流體的流速以及流體相應(yīng)的流量。

2 超聲波流量計(jì)基本特點(diǎn)分析

超聲波流量計(jì)在長(zhǎng)期的發(fā)展中逐步將傳統(tǒng)的渦輪流量計(jì)、差壓流量計(jì)以及電磁流量計(jì)等測(cè)量方法取代，從各個(gè)角度來(lái)進(jìn)行分析，可以知道超聲波流量計(jì)在實(shí)踐運(yùn)用中主要具備如下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)特征：

第一，超聲波流量計(jì)在實(shí)踐中進(jìn)行安裝維修更為方便快捷，超聲波流量計(jì)與其他的流量計(jì)方法相比而言，安裝維修更為方便快捷，對(duì)于大口徑的流量計(jì)量體統(tǒng)來(lái)說(shuō)，超聲波流量計(jì)在這一方面的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，可以節(jié)約大量的人力和物流成本。近年來(lái)，隨著超聲波流量計(jì)在各個(gè)研究領(lǐng)域的實(shí)踐運(yùn)用，超聲波流量計(jì)在安裝維修時(shí)可以不用考慮是否在官道上切斷流量或者進(jìn)行打孔等繁瑣步驟。

第二，超聲波流量計(jì)的測(cè)量管徑相對(duì)較大，超聲波流量計(jì)在進(jìn)行測(cè)量時(shí)其管徑測(cè)量最大可以達(dá)到10 m，這也是超聲波流量計(jì)的突出優(yōu)勢(shì)，超聲波流量計(jì)的適用管徑范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，可以在一定范圍之類(lèi)進(jìn)行較為自由的流量測(cè)量，當(dāng)所測(cè)量的管徑超出一定范圍時(shí)，流量計(jì)可能會(huì)受到外界各個(gè)方面的因素限制而難以滿(mǎn)足具體的測(cè)量要求，這個(gè)時(shí)候可以考慮使用超聲波流量計(jì)來(lái)有針對(duì)性地解決這些問(wèn)題，同時(shí)可以測(cè)量任意管徑。除此之外，管徑大小范圍并不會(huì)影響到超聲波流量計(jì)的價(jià)格，而其他流量計(jì)價(jià)格往往會(huì)隨著管徑大小范圍的變化而變化。

第三，超聲波流量計(jì)的測(cè)量可靠性較高，不論是濕式安裝或者是外夾式安裝的超聲波流量計(jì)均不會(huì)對(duì)測(cè)量流量的流暢性產(chǎn)生影響，沒(méi)有任何的壓力損失；與此同時(shí)，以微機(jī)為中心的傳感器可以使用鎖相環(huán)路等計(jì)時(shí)的方法解決電力故障以及信號(hào)衰弱等方面的問(wèn)題，從而使得超聲波流量計(jì)的測(cè)量可靠性更高。

第四，超聲波流量計(jì)的測(cè)量不會(huì)受到流體相關(guān)參數(shù)的影響，比如說(shuō)流體的物理性能以及導(dǎo)電率、粗糙度等相關(guān)參數(shù)不會(huì)對(duì)超聲波流量計(jì)的測(cè)量產(chǎn)生影響。除此之外，超聲波流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果可以通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)顯示和打印，并實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

但是，超聲波流量計(jì)在實(shí)踐運(yùn)用中也存在一些缺點(diǎn)，一是超聲波流量計(jì)的傳感器安裝情況對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度有一定的影響，因此傳感器安裝有著嚴(yán)格的要求；二是超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度與電磁流量計(jì)準(zhǔn)確度相比還存在一定的差距。

3 超聲波流量計(jì)在電廠流量測(cè)量上的應(yīng)用

由于超聲波流量計(jì)有著突出的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因此超聲波流量計(jì)在電廠流量測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注的應(yīng)用，可以從如下幾個(gè)應(yīng)用案例中得到體現(xiàn)。

越南IAGIAI Ⅲ水電站中需要對(duì)循環(huán)水流量進(jìn)行測(cè)量，由于所需要測(cè)量的管徑屬于超大型號(hào)，分別為DN6000型號(hào)和DN3000型號(hào)，在對(duì)所要測(cè)量的流量以及各種類(lèi)型流量計(jì)進(jìn)行全方位分析論證之后，最終認(rèn)為最為經(jīng)濟(jì)適用可行的超聲波流量計(jì)可以用來(lái)解決該方案，因此最終選取了超聲波流量計(jì)對(duì)循環(huán)水流量進(jìn)行了準(zhǔn)確的測(cè)量，解決了相應(yīng)的問(wèn)題。

華能白楊河電廠在2003年以前一般都是采用差壓式流量計(jì)實(shí)現(xiàn)單一方向的流量測(cè)量，在使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量之后，發(fā)現(xiàn)了負(fù)流量現(xiàn)象，并因此為電廠節(jié)約了大量的購(gòu)水成本，該電廠最初在凝結(jié)水管道上將渦銜流量計(jì)安裝上，但是由于在實(shí)踐中受到流量計(jì)工藝有所變動(dòng)等方面的影響，從而對(duì)流量測(cè)量計(jì)的準(zhǔn)確度和精確度提出了更高的要求，而渦銜流量計(jì)在這種情況之下無(wú)法滿(mǎn)足這一需求，因此在保障電廠正常運(yùn)行的情況之下可以選取超聲波流量計(jì)做出更為精確的測(cè)量。

魯能運(yùn)河發(fā)電廠在2008年時(shí)在實(shí)踐運(yùn)用中需要對(duì)相關(guān)油量進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量，由于之前使用價(jià)格高達(dá)10萬(wàn)元的質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，價(jià)格昂貴且運(yùn)行使用周期較長(zhǎng)，質(zhì)量流量計(jì)的安裝也極為不方便，后來(lái)魯能運(yùn)河發(fā)電廠選用了價(jià)格僅僅兩萬(wàn)元的外夾式超聲波流量計(jì)，不僅解決了存在的問(wèn)題，而且在較低的成本之下達(dá)到了有效的測(cè)量結(jié)果。

華電漯河發(fā)電廠最開(kāi)始選取了電磁流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量，安裝前后均做了較好的防腐內(nèi)襯，其加工難度大且使用成本較高，但是選用超聲波流量計(jì)時(shí)這些問(wèn)題都迎刃而解了，沒(méi)有使用更多的設(shè)備和安裝成本。

綜上所述，當(dāng)前超聲波流量計(jì)已經(jīng)被作為主要的流量測(cè)量工具運(yùn)用到愈來(lái)愈多的電廠，安裝維護(hù)方便快捷且較長(zhǎng)的生命周期優(yōu)勢(shì)使得超聲波流量計(jì)備受歡迎，盡管超聲波流量計(jì)還存在一定的缺陷，但是相信隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，超聲波流量計(jì)將以其綜合性?xún)?yōu)勢(shì)得到更為廣闊的發(fā)展空間。

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