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詳細(xì)介紹
超聲波熱量表
一、超聲波熱量表原理
根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法（直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。
1、時(shí)差法：測(cè)量順逆?zhèn)鞑r(shí)傳播速度不同引起的時(shí)差計(jì)算被測(cè)流體速度。
它采用兩個(gè)聲波發(fā)送器（SA和SB）和兩個(gè)聲波接收器
圖1
（RA和RB）。同一聲源的兩組聲波在SA與RA之間和SB與RB之間分別傳送。它們沿著管道安裝的位置與管道成θ角(一般θ=45°)（圖1）。由于向下游傳送的聲波被流體加速，而向上游傳送的聲波被延遲，它們之間的時(shí)間差與流速成正比。也可以發(fā)送正弦信號(hào)測(cè)量?jī)山M聲波之間的相移或發(fā)送頻率信號(hào)測(cè)量頻率差來(lái)實(shí)現(xiàn)流速的測(cè)量。
2、相位差法：測(cè)量順逆?zhèn)鞑r(shí)傳播時(shí)由于時(shí)差引起的相位差計(jì)算速度。
它的發(fā)送器沿垂直于管道的軸線(xiàn)發(fā)送一束聲波，由于流體流動(dòng)的作用，聲波束向下游偏移一段距離。偏移距離與流速成正比。
3、頻差法：測(cè)量順逆?zhèn)鞑r(shí)傳播時(shí)的聲環(huán)頻率差。
當(dāng)超聲波在不均勻流體中傳送時(shí)，聲波會(huì)產(chǎn)生散射。流
圖2
體與發(fā)送器間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)送的聲波信號(hào)和被流體散射后接收到的信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。多普勒頻移與流體流速成正比。如圖2中被測(cè)流體的區(qū)域位于發(fā)射波束與接收到的散射波束的交叉之處。要求波束很窄，使兩波束的夾角θ不致受到波束寬度影響。也可只采用一個(gè)變換器既作為發(fā)送器又作為接收器，這種方式稱(chēng)為單通道式。在單通道多普勒血液流量計(jì)中，發(fā)送器間隔地發(fā)送聲脈沖信號(hào)，在兩個(gè)聲脈沖間隔的時(shí)間中，接收從血管壁和血管內(nèi)紅血球反射回來(lái)的聲脈沖信號(hào)。采用控制線(xiàn)路選擇給定距離處的紅血球反射信號(hào),通過(guò)比較后得到多普勒頻移,它與血液流速成正比。在已知血管橫截面時(shí)可得到血液流量。
二、特點(diǎn)
(1)超聲波熱量表可作非接觸測(cè)量。夾裝式換能器超聲流量計(jì)可無(wú)須停流截管安裝，只要在既設(shè)管道外部安裝換能器即可。這是超聲流量計(jì)在工業(yè)用流量?jī)x表中具有的*優(yōu)點(diǎn)，因此可作移動(dòng)性（即非定點(diǎn)固定安裝）測(cè)量，適用于管網(wǎng)流動(dòng)狀況評(píng)估測(cè)定。
(2)超聲波熱量表為無(wú)流動(dòng)阻撓測(cè)量，無(wú)額外壓力損失。
(3)超聲波熱量表適用于大型圓形管道和矩形管道，且原理上不受管徑限制，可認(rèn)為是在無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)流校驗(yàn)的情況下優(yōu)先考慮的選擇方案。
(4)超聲波熱量表可測(cè)量非導(dǎo)電性液體，在無(wú)阻撓流量測(cè)量方面是對(duì)電磁流量計(jì)的一種補(bǔ)充。
(5)某些傳播時(shí)間法超聲流量計(jì)附有測(cè)量聲波傳播時(shí)間的功能，即可測(cè)量液體聲速以判斷所測(cè)液體類(lèi)別。例如，油船泵送油品上岸，可核查所測(cè)量的是油品還是倉(cāng)底水。
(6)傳播時(shí)間法超聲流量計(jì)只能用于清潔液體和氣體。
(7)外夾裝換能器的超聲流量計(jì)不能用于襯里或結(jié)垢太厚的管道，也不能用于襯里（或銹層）與內(nèi)管壁剝離（若夾層夾有氣體會(huì)嚴(yán)重衰減超聲信號(hào)）或銹蝕嚴(yán)重（改變超聲傳播路徑）的管道。
三、參數(shù)
* 測(cè)量精度：優(yōu)于1％
* 重 復(fù) 性：優(yōu)于0.2%
* 測(cè)量周期：500ms (每秒2次，每個(gè)周期采集128組數(shù)據(jù))
* 工作電源：220VAC/8~36VDC
* zui大流速：64m/s(流速分辨率0.001m/s)
* 顯 示：2×10漢字背光液晶可顯示瞬時(shí)流量及正、負(fù)、凈累積流量、流速等
* 操 作：4×4輕觸鍵盤(pán) (F4主機(jī)磁性4按鍵) 操作
* 信號(hào)輸入：◇3路4-20mA模擬輸入,精度0.1%,可輸入壓力、液位、溫度等信號(hào)
◇2路三線(xiàn)制PT100鉑電阻
* 信號(hào)輸出：◇1路隔離RS485輸出
◇1路4-20mA或0-20mA輸出
◇1路隔離OCT (脈沖寬度6~1000ms之間可編程，默認(rèn)200ms)
◇1路繼電器輸出 (脈沖寬度200ms )
* 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：選配內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SD卡) 可存儲(chǔ)時(shí)間、瞬時(shí)流量、累積流量、信號(hào)狀態(tài)等，通過(guò)軟件可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，便于統(tǒng)計(jì)與管理* 通訊協(xié)議：MODBUS協(xié)議，M-BUS協(xié)議，F(xiàn)UJI擴(kuò)展協(xié)議，并兼容國(guó)內(nèi)其它廠(chǎng)家同類(lèi)產(chǎn)品的通訊協(xié)議
* 其它功能：◇自動(dòng)記憶前512天、前128個(gè)月、前10年正/負(fù)/凈累積流量
◇自動(dòng)記憶前30次上、斷電時(shí)間和流量并可實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)或手動(dòng)補(bǔ)加，可通過(guò)MODBUS協(xié)議讀出
◇可編程批量（定量）控制器，故障自診斷功能
◇可通過(guò)傳送來(lái)的代碼文件實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)
* 防護(hù)等級(jí)：傳感器IP68，F(xiàn)4主機(jī)IP68，其余主機(jī)IP65
* 防爆等級(jí)：EXdⅡBT4 (JN-100F2型)
四、選型分類(lèi)
1.管道式超聲波流量計(jì)
精度zui高，可達(dá)到?0.5%，而且不受管道材質(zhì)、襯里的限制，適用于流量測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合。但隨著管徑的增大，成本也會(huì)隨增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計(jì)，較為經(jīng)濟(jì)。
2.時(shí)差式超聲波流量計(jì)
時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比，這一原理來(lái)測(cè)量流體流量。
目前生產(chǎn)zui多、應(yīng)用范圍zui廣泛的是時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它主要用來(lái)測(cè)量潔凈的流體流量，在自來(lái)水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。
3.便攜式超聲波流量計(jì)
主要用于校對(duì)管道上已安裝其它流量?jī)x表的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行一個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體平衡測(cè)試 ，檢查管道的當(dāng)時(shí)流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時(shí)，選用便攜式超聲波流量計(jì)既方便又經(jīng)濟(jì)。
4.多普勒超聲波流量計(jì)
換能器經(jīng)過(guò)管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；驓馀莺?，頻率發(fā)生偏移，當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，通過(guò)測(cè)量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。只能用于測(cè)量含有適量能反射超聲波信號(hào)的顆?；驓馀莸牧黧w，如工廠(chǎng)排放液、未處理的污水、雜志含量穩(wěn)定的工廠(chǎng)過(guò)程液等。要注意它對(duì)被測(cè)介質(zhì)要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時(shí)雜質(zhì)含量要相對(duì)穩(wěn)定，才可以正常測(cè)量，而且不同廠(chǎng)家的儀表性能及對(duì)被測(cè)廠(chǎng)家的要求也不一樣。
5.固定式超聲波流量計(jì)
使用插入式換能器代替外貼式換能器，*消除了管襯、結(jié)垢及管壁對(duì)超聲波信號(hào)衰減的影響，測(cè)量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護(hù)工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應(yīng)用正在不斷推廣。 有的廠(chǎng)家推出了內(nèi)部為數(shù)字化電路的超聲波流量計(jì)，其特點(diǎn)是采用數(shù)字電路處理信號(hào)，糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，取樣及時(shí)，精度提高(模擬電路的精度為?1.5%，數(shù)字電路可以達(dá)到?1.0%)，而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號(hào)輸出模式供選擇，在實(shí)際應(yīng)用也取得了很好的效果。用戶(hù)在使用中可以和模擬電路的超聲波流量計(jì)進(jìn)行比較。 超聲波流量計(jì)的功能選擇，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定。如果測(cè)量雙向流體，一定要選擇帶有正負(fù)計(jì)量功能的超聲波流量計(jì)；如果用戶(hù)需要定期了解流體在一定時(shí)段有流量情況，可以選擇帶打印機(jī)的超聲波流量計(jì)。
五、安裝
1)安裝位置和流動(dòng)方向USF的流量傳感部分(超聲流量傳感器或超聲換能器)一般均可安裝于水平、傾斜或垂直管道。垂直管道選擇自下而上流動(dòng)的場(chǎng)所，若為自上而下，則其下游應(yīng)有足夠的背壓，例如有高于測(cè)量點(diǎn)的后續(xù)管道，以防止測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)非滿(mǎn)管流。
2)單向流還是雙向流通常為單向流，但也可通過(guò)較復(fù)雜電子線(xiàn)路，設(shè)計(jì)成雙向流動(dòng)，此時(shí)流量測(cè)量點(diǎn)兩側(cè)直管段長(zhǎng)度均應(yīng)按上游直管段的要求布置。
3)管道條件外夾裝式USF管道內(nèi)表面積沉積層會(huì)產(chǎn)生聲波不良傳輸和偏離預(yù)期聲道路徑和長(zhǎng)度，應(yīng)予避免；外表面因易于處理較少影響。夾裝式換能器和管道接觸表面要涂上耦合劑。應(yīng)注意粒狀結(jié)構(gòu)材料(例如鑄鐵、混凝土)的管道，很可能聲波被分散，大部分聲波傳送不到流體而降低性能。換能器安裝處管道襯里或銹蝕層與管壁之間不能有縫隙。用V法的反設(shè)處必須避開(kāi)焊縫和接口(參見(jiàn)圖11)。
4)上游流動(dòng)擾動(dòng)與大部分其他流量?jī)x表一樣，USF敏感于流過(guò)儀表的流速分布剖面，因此也要求相當(dāng)長(zhǎng)度的上游直管段。前文已對(duì)直管段要求作了討論。
5)防止聲干擾應(yīng)注意由控制閥高壓力降等所形成的聲學(xué)干擾，特別在測(cè)量氣體流量時(shí)尤為重要，設(shè)法避免之。例如Instromet公司的USF顯示儀中有聲干擾實(shí)時(shí)測(cè)量報(bào)警；測(cè)量管道中采用如圖9所示彎管阻斷聲干擾的措施。