劉金魁，王肇鵬

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.濟寧四聯(lián)電儀設備有限公司，山東 濟寧 272000）

0 引言

超聲波原理用于流量測量，早期出現(xiàn)在航空煤油的測量或作為精密醫(yī)療儀器用于對人體血管流量的測量，性能優(yōu)越但造價昂貴。近年來，隨著電子技術、數(shù)字技術和聲楔材料等技術的快速發(fā)展，成本隨之降低，應用領域業(yè)已涉及水利、電力、冶金等行業(yè)，其優(yōu)越的性價比正日趨成為流量測量的首選儀表之一。

1 超聲波流量計的發(fā)展過程

1928年德國人研制成功第一臺超聲波流量計，并取得了專利。1955年首先應用于馬克森（MAXSON）流量計測量航空燃燒油，這是一種基于聲循環(huán)法的兩組探頭（換能器）組成的液體流量計。1958年A.L.H-ERDRICH等人發(fā)明折射式探頭，由于可進一步消除管壁交混回響所產(chǎn)生的相位失真，也為管外夾裝提供了理論依據(jù)。

20世紀70年代以后，由于集成電路和鎖相環(huán)路技術的發(fā)展，超聲波流量計得以克服以前的精確度不高、響應慢、穩(wěn)定性與可靠性差等致命弱點，實用性不斷增強。

近20年來，基于高速數(shù)字信號的處理技術與微處理技術的快速發(fā)展、新型探頭材料與工藝的研究以及聲道配置與流量動力學的研究，超聲波流量測量技術取得了長足進展。

2 超聲波流量計的測量原理和分類

2.1 基本原理

超聲波在流動的流體中的傳播速度與流體的流速有關。相對于固定座標系(如管壁)，順流的超聲波的傳播速度將大于逆流的傳播速度。為實現(xiàn)流量（流速）測量，首先需要有一個發(fā)射超聲波的換能器（俗稱超聲波探頭），通常采用石英等材料制成的壓電元件作為換能器。發(fā)射超聲波時利用負壓電效應，即利用高頻電脈沖的作用，使壓電晶體高頻振動，從而發(fā)出脈沖變化的高頻壓力波（即超聲波）。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由裝在管道對面的接收換能器接收。接收換能器則利用正壓電效應，將高頻壓力波又轉(zhuǎn)換高頻的電脈沖信號。

可以輪流交替地利用同一個換能器發(fā)射高頻、短時的脈沖壓力波，又用來接收對面換能器發(fā)來的脈沖壓力波?？梢杂靡唤M換能器兼做超聲波的收、發(fā)用。由于人耳聽到聲音的上限頻率是20 kHz，而此種流量計所收、發(fā)的壓力波的頻率是0.5～10 MHz（典型頻率是1 MHz）,屬于超聲波范疇，超聲波流量計因此得名。

2.2 分類

按原理分：時差法（目前最常采用此法）；頻差法（聲環(huán)法）；相位差法；多普勒法（目前最常采用此法）；相關法；射束位移；渦街法。

按探頭（換能器）安裝方式分：外縛式；插入式（即濕式），其中又分為帶測量管段和不帶測量管段。按聲道數(shù)目劃分：單聲道；多聲道（2～8聲道）。按性能分：標準型；固定式；便攜式；低溫防水型；其他。

2.3 測量原理

超聲波流量計常用的測量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測量超聲波脈沖順水流和逆水流時速度之差來反映流體的流速，從而測出流量；多普勒法的基本原理則是應用聲波中的多普勒效應測得順水流和逆水流的頻差來反映流體的流速從而得出流量。這里簡單介紹常用的兩種方法的測量原理。

2.3.1 時差法測量原理

時差法測量流體流量的原理如圖1所示。它利用聲波在流體中傳播時因流體流動方向不同而傳播速度不同的特點,測量它的順流傳播時間t1和逆流傳播時間t2的差值,從而計算流體流動的速度和流量。

圖1 超聲波流量計測流原理圖

設靜止流體中聲速為c，流體流動速度為v，把一組換能器P1、P2與管渠軸線安裝成θ角，換能器的距離為L。從P1到P2順流發(fā)射時，聲波傳播時間

從P2到P1逆流發(fā)射時，聲波的傳播時間

一般c>>v，則時差

根據(jù)上式可求出速度v

2.3.2 多普勒法測量原理

多普勒法測量原理如圖2所示。它是依據(jù)聲波中的多普勒效應，檢測其多普勒頻率差。超聲波發(fā)生器為一固定聲源，隨流體以同速度運動的固體顆粒與聲源有相對運動，該固體顆粒可把入射的超聲波反射回接收器。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運動而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。由于這個頻率差正比于流體流速，所以通過測量頻率差就可以求得流速，進而可以得到流體流量。

圖2 多普勒超聲波流量計測流原理圖

當隨流體以速度v運動的顆粒流向聲波發(fā)生器時，顆粒接收到的聲波頻率

當該顆粒將f1頻率的聲波反射睡去，則接收器接收到的是f2頻率的聲波

因此，聲波接收器和發(fā)生器間的多普勒頻移

以上各式中：θ為聲波方向與流體流速v之間的夾角，f0為聲源的初始聲波頻率，c為聲源在介質(zhì)中的傳播速度。若c>>vcos θ則

以上是按單個顆?？紤]時，測得的流體流速和流量。但對于實際含有大量粒群的水流，則應對所有頻移信號進行統(tǒng)計處理。超聲波多普勒流量計的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構，見圖3。換能器接收到的反射信號只能是發(fā)生器和接收器的兩個指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)顆粒的反射波，這個重疊區(qū)域稱為多普勒信號的信息窗。換能器所收到的信號就是由信息窗中所有流動懸浮顆粒的反射波的疊加，即信息窗內(nèi)多普勒頻移為反射波疊加的平均值。

平均多普勒頻移Δ-f可以表示為：

式中：Δf為信息窗內(nèi)所有反射粒子的多普勒頻移的平均值；ΣNi為產(chǎn)生多普勒頻移Δfi的粒子數(shù)；Δfi為任一個懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移。

由上可知，該流量計測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，因此要求信息窗應位于管渠內(nèi)接近平均流速的部位，才能使其測量值反映管渠內(nèi)流體的平均流速。

圖3 多普勒超聲波流量計測流回路圖

3 超聲波流量計的技術特性及與其它流量計比較

3.1 超聲波流量計的主要特性

1）對無損安裝（外縛式）流量計：無損安裝；不破壞設備，可在被測工藝管道連續(xù)運行的狀態(tài)下測量；從根本上杜絕被測介質(zhì)對測量部分的腐蝕；可作為工具儀表，隨意移動選擇測點對流量進行判定；滿足測量管徑15～6 000 mm，大管徑無需特殊加工，一臺表可任意測量各種管徑的流量；基本免除維護。

2）可實現(xiàn)正反雙向計量，并可計算顯示凈累積值。

3）精度優(yōu)于1%，通常在0.5%～1%之間，工況理想時可達0.3%。

4）量程比最大，基本無上限。

5）可作熱量計用。

6）小信號切除值最小可達0.03%。

7）多種信號輸出和多路信號輸入，同窗顯示多種參量，一表多用。

8）測量時對直管路要求相對寬松。

9）使用操作簡單，所有參量輸入以及數(shù)據(jù)修整均為面板寫讀方式。

10）測量管道適用范圍可用于一切密致材質(zhì)管道。

在以上諸多特性中除第2、3、8、10項外，其它特性均為超聲波流量計所獨有的特點或其它傳統(tǒng)流量計所不能達到的性能范圍。

3.2 與其它流量計的性能比較

超聲波流量計（外縛式）與幾種常用流量計的性能比較見表1。

對超聲波流量計特性說明如下：

1）無損安裝（外縛式）超聲波流量計的測量，根據(jù)換能器的安裝方式可分為 “外縛式”“插入式”和“管段式”三種形式。而“外縛式”安裝是目前其它流量計所無法做到的獨有的測量方式。

a.不會產(chǎn)生壓力損失。常用的各種壓差式流量計靠截流取壓差，再由變送器將壓差轉(zhuǎn)換成電信號實現(xiàn)流量測量，會產(chǎn)生壓力損失，運行成本高。而用超聲波流量計的“外縛式”安裝，則不會產(chǎn)生壓力損失，運行成本大大降低。

b.安裝時無需破壞管道，可在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)測量。其它流量計無論是管段式或是插入式則需要在管道上開孔，或截管法蘭連接，或停運安裝，而超聲波流量計外縛即可，安裝成本大大降低。

c.由于“外縛式”測量為非接觸式測量，測量時探頭夾縛在管道外側(cè)，與被測介質(zhì)不接觸，沒有防腐處理的要求。其它流量計均要考慮如何處理解決防腐問題，且工藝上對防腐要求愈高，儀表對接介材質(zhì)的選材等級愈高，其造價亦愈昂貴。而超聲波流量計在此情況時價格不變，優(yōu)勢明顯。

表1 超聲波流量計（外縛式）與幾種常用流量計的性能比較

d.可作為工具儀表，隨意對各流量測點進行測量、對比和判定。在運行工況時，時常會需要隨時對多個測點的流量進行比對或判定，或臨時需要某一點的流量值，這時用其它儀表測量需要停運或到處開孔，顯然是不可能做到，這時只有超聲波流量計可以滿足要求。

e.測量適用的管徑范圍寬。可在15～6 000 mm的管徑范圍內(nèi)進行測量而無需特殊加工。在管徑足夠大時，其它流量計均會受到機械加工或運輸?shù)南拗贫鵁o法滿足測量要求，這時只有用超聲波流量計才可解決，而且一臺表可任意測量各種管徑，而其它管段式儀表一臺表只能針對性地測量一種管徑的流量。

f.無定期調(diào)校和定期拆洗等要求。由于儀表不與被測介質(zhì)接觸，故而無需進行定期拆洗，同時整個測量過程中均為電子信號，沒有機械量-電量的轉(zhuǎn)換變送環(huán)節(jié)，因此亦無需定期進行機械零點和滿量程的調(diào)校，定期排污等維護工作，大大降低儀表的運行維護成本。

2）可實現(xiàn)正反雙向計量。由于運用時差原理，流體正反向流動時均可產(chǎn)生速度差，因此儀表可測量出正向或反向流體的瞬時和累積流量并可計算出凈累積流量。大大拓寬了工藝生產(chǎn)對測量的要求，而其它大部分流量計只能測量單一方向的流量。

3）超聲波流量計的精度為優(yōu)于1%。一般情況下根據(jù)測量現(xiàn)場工況的不同，其精度在0.5%～1%之間，理想工況下可達0.3%。這一精度在目前各種測流設備中屬高精度儀表，目前只有質(zhì)量流量計和電磁流量計可達這一精度。

4）量程比大，基本無上限。除超聲波流量計外，

目前其它任何流量計均存在一個受限于測量范圍亦即量程比的問題，對于足夠?qū)挼牧砍谭秶?，只能分段測量。

5）可作熱量計用。在測量流量時，將被測回路去、回溫度的電流信號輸入至流量計，即可直接積算并顯示流體回路的熱量值。

6）小信號切除值極低，最小可達0.03%。這是其它傳統(tǒng)流量計所不能做到的。所有測流設備均有一個測量死角的問題，尤其在小流量測量時，小信號（即小流量測量）切除值越低，說明儀表的靈敏度越高，這方面超聲波流量計的優(yōu)勢顯著。

7）多種信號輸出和多路信號輸入顯示。儀表具有模擬電流4～20 mADC輸出，數(shù)字通訊信號（RS-232串行接口）輸出，模擬開關量輸出，頻率信號輸出。同時還有接收多路信號輸入的端口，可同窗顯示溫度、壓力等參量，一表多用，可省用多個顯示表。

8）對被測管道材質(zhì)適用范圍廣?？捎糜谝磺忻苤虏馁|(zhì)的管道，并允許有內(nèi)襯。

9）使用操作簡單，所有參量輸入以及數(shù)據(jù)修整均可實現(xiàn)以面板寫讀方式完成。

10）對直管段的要求較寬松。一般流量計，尤其是差壓式流量計在選擇測點時均有直管的要求，以確保穩(wěn)流，使測量結(jié)果盡可能接近真實值。通常會嚴格要求測點前10D后5D（“D”指被測管徑）。而超聲波流量計對此則較寬松，測點的前7D后3D即可，甚至更小，測量點選擇范圍更寬。這樣測量時會更加方便，減少測量時的安裝難度。

當然，超聲波測流也有其局限性。目前常用的超聲波流量計還只能測量液體（而測量氣體的超聲波流量計目前造價昂貴，未能普及）。另外，由于受材料科學發(fā)展的制約，目前的超聲波流量計尚不能測量高溫介質(zhì)，最高可測量的介質(zhì)溫度在150℃以內(nèi)。

3.3 與其它流量計的價格比較

目前電廠對于流量測量手段除超聲波外，主要采用差壓式流量計、渦銜流量計、電磁流量計和質(zhì)量流量計等。

由于歷史原因，應用最廣的是差壓式流量計。差壓式流量計一般由四個單元組成，一次單元（節(jié)流裝置），導壓系統(tǒng)，變送單元和顯示單元。其中一次單元—節(jié)流裝置由于節(jié)流方式得不同而種類繁多，根據(jù)不同工況的要求，主要有標準孔板、V錐、楔式、阿牛巴、威力巴、雙曲線、文丘理管等方式。節(jié)流裝置的價格與被測管徑的大小、取樣方式及防腐材質(zhì)有關，通常管徑越大防腐要求越高其價格也越高，另外變送單元主要是變送器，常用的EMERSON ROSEMOUNT 3051和3095差壓變送器，材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti價格一般在0.6～0.9萬元，材質(zhì)為316L或其它更高時價格在1～1.8萬元之間。導壓系統(tǒng)是指導壓管材、一次閥門、二次閥門、排污閥門及平衡閥門組成，一套價格一般為0.15萬元左右。顯示單元一般采用流量開方積算顯示儀，價格一般在0.15萬左右。以一般防腐要求，管徑為常用的DN200為例。一個完整測量系統(tǒng)價格一般在1.5～1.9萬元。若在測量循環(huán)水管道等大管徑時，價格隨之上升，應在2萬元以上。超大管徑時則無法實際測量。由于其測量精度為1.5級，故在對測量精度要求較高時亦不可用。另外安裝時管道必須停運，須要動用機務和配合防腐處理，投運后需要定期對導壓管路進行排污，定期對變送器進行調(diào)校等維護工作，這樣整個測量系統(tǒng)除了設備費用外還需增加安裝費用和運行維護費用。

渦銜流量計為法蘭連接，無需導壓管路，其價格隨被測管徑大小而改變。在DN200時價格在1.2萬元左右，防腐要求高時，價格更高。但由于其測量流體漩渦頻率原理的要求，在現(xiàn)場有振動時不可用。超大管徑時也不可用。另外測量精度和靈敏度較低，在對此項要求較高時亦不可用。

在上世紀80至90年代，尤其90年代中后期，一種精度更高的儀表—電磁流量計在各電廠中開始逐步廣泛使用。其測量工況適用性和測量精度大體與超聲波流量計相當，測量精度標稱0.5級，實際測量精度在0.5%～1%之間，高于此前常用的其它傳統(tǒng)流量計。靈敏度也較高。由于其安裝方式也是法蘭連接，故此其價格也是隨管徑的增大而增加。目前常用的德國E+H、科隆、日本橫河等公司產(chǎn)品均價格不菲。以DN200管徑為例，價格一般在3萬元左右，但被測管徑為DN400或DN600時，價格高達5～7萬元。在對腐蝕性介質(zhì)測量時，價格也要相應增加。還有由于電磁流量計是以流體通過儀表時的磁通量變化的原理進行測量，因此只能測量導電的液體介質(zhì)，在管徑過大時和非導電介質(zhì)時（如水處理的純水環(huán)節(jié),油量等）則不可用。

質(zhì)量流量計精度高、適用范圍廣、靈敏度和穩(wěn)定性均十分理想，但價格昂貴，一般只在特殊場合少量使用（如電廠點火油路的油量）。以電廠點火油管路測量為例。一般管徑在DN50～DN80之間。德國ROTAMASS，美國ROSEMOUNT等公司的科里奧利式質(zhì)量流量計，價格均在10萬元以上。

超聲波流量計在市場上的出現(xiàn)是在上世紀90年代，各電廠也是于90年代中后期開始陸續(xù)裝備，其性能優(yōu)越，使用效果良好。只是由于價格較貴，早期只是少量裝備便攜式流量計，用作流量判定的工具儀器。隨著技術的發(fā)展，市場的成熟，超聲波流量計的價格越來越趨于合理，加之電廠對測量效果要求的不斷提高，超聲波流量計相對其它流量計的性價比優(yōu)勢越發(fā)明顯。尤其進入本世紀后，電廠在選擇測流方式時尤其對超聲波特別關注，開始大量裝備超聲波流量計。目前常用的進口品牌有美國麗聲POLYSONLCS DCT7088系列，迪納聲DYNASONIS ERIES901系列，日本橫河，英國MICRONES,韓國PUISE PLS-780系列等，便攜式（工具表）一般價格在5～7萬元之間，固定式價格一般在3～5萬元之間。價格最便宜的屬韓國PUISE公司生產(chǎn)的PLS-780系列，這一系列是韓國PULSE公司專門針對中國市場開發(fā)的產(chǎn)品，便攜式價格為3.2萬元左右，固定式為2.5萬左右。

由上述比較可見，在被測管徑大、防腐要求高等場合，考慮安裝和維護費用，超聲波流量計較其它流量計也具備明顯的價格優(yōu)勢。

4 超聲波流量計在電廠中的應用實例

由于超聲波流量計較其它流量計的技術特性優(yōu)勢，在電廠流量測量中越來越受到關注，并開始大量應用。下面列舉幾個典型應用實例。

越南IAGIAIⅢ水電站，水輪機組循環(huán)水需要對流量測量，由于管徑超大，分別是DN3000、DN6000，通過對各種流量計充分論證后，最終確認只有用超聲波流量計可行，后選用超聲波流量計解決了問題。

華電鄒縣發(fā)電廠6號爐補給水，原管路上所裝渦銜流量計損壞，更換時不能停運，選擇超聲波流量計便輕松方便地解決了問題。

華能白楊河電廠凝結(jié)水管道上已安裝了渦銜流量計，由于工藝變更，要求取得對小流量更為精確的測量值，渦銜流量計的小信號切除值高，因此在不停產(chǎn)狀態(tài)下新裝了超聲波流量計滿足了這一要求。

2003年以前，華能白楊河電廠補給水一直用差壓式流量計進行單一方向測量，外購水以此為結(jié)算標準，在安裝超聲波流量計后，發(fā)現(xiàn)儀表顯示有負流量現(xiàn)象 （經(jīng)查找，發(fā)現(xiàn)水網(wǎng)回路確有回流現(xiàn)象），其凈累積值遠沒有以前的測量值那么大，為此給電廠節(jié)省了一大部分購水費用。

2008年，魯能運河發(fā)電廠要增加對點火油回路的油量進行測量，此前所用的流量計為質(zhì)量流量計，價格均在8～10萬元，不但昂貴，而且交貨周期很長，且安裝亦不方便。后選用韓國PUISE公司PLS-780F系列外夾式超聲波流量計，只花費了2萬多元便解決了問題，而且使用效果理想。

華電漯河發(fā)電廠，水處理測流時選用了部分電磁流量計，安裝前一部分管道已整體做好了防腐內(nèi)襯，管段式的電磁流量計安裝時必然要破壞管道的防腐層，安裝后再進行整體防腐處理，不但加工難度很大，而且成本也大幅度增加，改用超聲波流量計順利地解決了問題，未增加設備和安裝費用。另外由于電磁流量計只能測量導電介質(zhì)，對純水的測量部分也改用了超聲波流量計，均達到了理想的效果。

5 結(jié)束語

超聲波流量計也有其局限性，目前還只能測量常溫下的液體。因此在電廠測流的應用中主要還是在水系統(tǒng)和點火油系統(tǒng)上。但相信隨著材料科學以及其它相關科學的發(fā)展，超聲波流量計以其優(yōu)越的綜合性能，應用范圍和前途將更加廣闊。

目前，越來越多的電廠在測流時將超聲波流量計作為主要儀表之一。特別是在大管徑液體流量測量、防被測介質(zhì)腐蝕要求高、小流量測量、受直管段限制等場合，外縛式超聲波流量計已成為首選。安裝使用方便和免維護，使用壽命長等一系列獨特的優(yōu)點，受到電廠基層運行和檢修人員的歡迎。