昆山科爾源儀器儀表有限公司
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閱讀：3發布時間：2025-7-5
0 引言
外夾裝超聲流量計只要在既設管道外部夾裝換能器，即可作無侵擾非接觸測量，毋須對被測管道停流截管接入流量傳感器，或打孔插入檢測換能器，這是外夾裝超聲流量計在工業用流量儀表中所具有的優點。既可作移動性（即非定點固定安裝）測量，用作管網流動狀況評估測定，或作為檢查已裝用其他流量儀表測量準確性比對的參照流量值。
外夾裝換能器超聲流量計有傳播時間法超聲流量計（transit time ultrasonic flowmeter，TTUF），多普勒法超聲流量計（doppler ultrasonic flowmeter，DUF），相關法超聲流量計（cross correlation ultrasonic flowmeter，CCUF）三種。本文在這三種外夾裝超聲流量計中僅討論TTUF，因為刑F泛應用于各種潔凈液體。DUF只應用于含顆粒和氣泡的液體，且測量精度較低；CCUF通常只應用于雙相流體，尚處在初期階段，價格較貴，僅用于油井在線監控，一般應用尚缺乏吸引力。
外夾裝刑TTUF的測量準確度不能簡單地僅以儀表制造廠聲稱的儀表準確度來期望測量結果，要充分估計系統中各因素的影響。例如，安裝方面包括換能器的定位；測量管上下游管道狀況；管道工程方面包括尺寸、材質、內壁粗糙度；流體方面包括潔凈度、粘度、密度、雷諾數范圍；運行操作方面包括聲束路徑布置、換能器夾裝、幾何尺寸測量；制造廠儀表規范方面包括是否具有雷諾數補償等。本文就這些問題進行討論。
1 應用領域和性能
夾裝式TTUF應用于清潔液體，液體中只能含有小于某的固體顆粒或氣泡。應用分固定性安裝和移動臨時性安裝兩大領域。固定安裝常用于水行業、化學工業的不允許停流截管場所，半導體業的高純度液，化學工業的腐蝕液，食品和醫藥業的防污染和衛生要求液，各流程工業泵的運行保護等場所。臨時性外夾裝傳播時間法超聲流量計應用準則蔡武昌安裝應用于流程工業作為核對、維護管線上正在使用的流量儀表的工具；在水行業用作管網流動狀況的分析測定，管網檢漏，對固定安裝流量儀表的核對，等等。
儀表制造廠聲稱外夾裝TTUF的準確度為測量值的1%~2% ，低流量時誤差以固定流速表示，為±（0.01~0.03）m/s。運行中測量系統的準確度因各影響因素遠近于此值，例如45°聲路角有1。偏差就會產生1.7%流量測量誤差，管內徑0.5% 尺寸，偏差會產生1%流量誤差。在現場十分細致的定位安裝，良好運行條件下，系統測量準確度可期望在測量值的2% ~5% 。若定位安裝粗糙（如管內徑不作測量僅用名義尺寸），操作不細致，測量誤差可能超過10%。系統重復性可望達到1%。
2 安裝影響
單聲道TTUF無論在紊流充分發展流動或流速分布畸變流動，均敏感于流速分布變化。TTUF所測量的是聲束線平均流速vb，而需要的是流通面積的面平均流速vp•vb與vp間介入轉換系數K（=vb/vp），從vb求取vp，vp=vb/K，系數K不是常數，隨雷諾數而變。圖1所示是光滑管中K與Re的關系線[1]。開始流動是層流，流速增加到達2300時為層流區，層流區K為常數， 從2300增加到4000，流動從層流轉向紊流，K從0.75增加到0.93為過渡區，且轉換是隨機性的，很不穩定。Re超過4000K按經驗公式K=1/（1.119-0.011LogRe）增加，Re從104增加到106時，從0.93增加到0.95，變化約2.2%。這一變化某些型號儀表具有補償功能。使用時要避開Re=2300~4000的過渡區。
若進入TTUF的流動狀態被上游擾流件所畸變，上述系數就不能再用，要按擾動類型引入額外的誤差。上游流態畸變流經一定長度直管可恢復到充分發展流態。制造廠常規定上游10D、下游5D長度直管要求，以減緩上游擾動影響。雖然對下游5D的要求還合適，上游10D就過于樂觀了。Hojolt的實驗表明上述要求明顯不足，圖2是單聲道儀表在若干擾流件下游不同距離的測量誤差；表1是儀表增加±2%附加誤差時所需離開擾流件下游的距離[4]。
表1 附加誤差小于±2%時所需與擾動源的距離
擾動源類型
直管長/內徑倍數
漸縮錐管
4
漸擴錐管
18
單90°彎管
30
U布置雙90°彎管
22
垂直平面雙90°彎管
47
蝶閥，2/3開度
18
球閥，2/3開度
15
閘閥，2/3開度
20
圖2 處于各擾動源下游的誤差
3 管道工程
外夾裝TTUF的管道需要考慮管內徑準確尺寸、管壁厚度和粗糙度、管材質、襯里和涂層等方面。
① 管道和襯里的尺寸和材質雖有制造廠聲稱外夾裝TTUF曾用于管徑大到6000mm小到8mm，但通常認為管徑不能過小，應大于50mm。制造廠大都對管壁厚度上限不作規定，但國外有某制造廠厚度上限規定為25mm。小管徑、管壁過厚將會引入值得注意的誤差。Baker則認為管徑D和管壁厚t的比D/t應大于15，D/t≥10還可以接受，D/t<10因超聲沿管壁傳送可能出現問題，低的D/t值可能增加不確定度到±10%[2]。
綜合各制造廠稱外夾裝TTUF曾使用良好的管材有鑄鐵，碳鋼、不銹鋼、銅、鋁，哈氏合金，石棉，混凝土，玻璃鋼，PVC、PP、ABS、PTEF等工程塑料等。但使用者的經驗表明，有些制造廠的TTUF適用于其中若干種材質，而另一些制造廠則不能。鑄鐵有疏松或細孔會減超聲；混凝土或水泥管可能會產生問題，但如被充分浸潤有時卻可較好地工作；還有經歷過不銹鋼和玻璃鋼傳輸足夠信號困難的案例。
若涂層或襯里與管壁粘結處存在氣隙，將阻礙有效超聲傳輸而無法工作。需要準確測量涂層或襯里厚度，要知道它們的傳播聲速。有些型號儀表因已錄寫入聲速，只要輸入材質名稱即可。
② 管內壁粗糙度管內壁粗糙度對流量測量帶來四方面影響，即粗糙度對流速轉換系數，超聲波散射，聲波反射次數和估算管壁厚度的影響。
充分發展流速分布受制于管壁粗糙度k，而流速分布影響流速轉換系數，也就影響了流量值。圖3所示是一組不同相對粗糙度k/D（D為內徑）下的K-Re關系線。從圖3中可以看到很粗糙的內壁（如碳鋼、鑄鐵管銹蝕疤癤），可能帶來4%的誤差。
管內壁愈粗糙超聲散射愈嚴重，作為通則較粗糙的內壁采用較低的超聲波頻率。此外粗糙度高在聲道布置上還限制反射次數，例如較小管徑常采用多次反射（即W法），若相對粗糙度較大、散射嚴重而無法工作，只能改試一次反射（即V法），甚至放棄反射法改用直射（即Z法）。
要知道管材的超聲波傳播性能。為求取準確換能器安裝間距，需要獲得超聲在管材中的聲速和管道尺寸。儀表產品說明書一般附有若干管材的公稱聲速數據，但實際聲速隨著成份（如不銹鋼1GrB為2990m/s，0Cr17 12Mo2為3175m/s）、狀態（如銅退火為2325m/s，冷軋為2270m/s）、壓力或應力、溫度而異。若不能確悉聲速。可用超聲厚度計在同一材料已知厚度件上測定。
4 流體因素
① 液體密度和粘度的影響圖1中討論到不同段的系數，而忍又是流速、液體粘度和密度、管道尺寸的函數，因此與粘度、密度有關，應用時要核對是否已避開過渡區。特別在測量小管徑高粘度液體時更應關注。
② 液體聲速使用外夾裝刑TTU在初裝調試階段要由用戶輸入液體聲速，作為設置換能器間隔距離的一個步驟。按照不同儀表設計類型，有些以此聲速定義儀表的流量公式，有些從傳播時間估算新的聲速。后一功能可補償受液體溫度影響引起的變化。要儀表正確地運行，換能器間距和聲速的準確性是十分重要的。有時液體的確切聲速不清楚，可請制造廠測定。
③ 氣泡和顆粒的影響氣泡使超聲散射，同時因液體含氣泡后會產生壓縮性而影響在液體中的聲速。氣泡還使儀表的信號衰減和信噪比下降，散射和衰減程度取決于氣泡含量、尺寸和分布。某制造廠提供典型能繼續工作的氣體含量為<10% ，然而對氣泡尺寸一般未規定。顆粒會散射超聲，過去普遍認為顆粒含量應小于1%①，但隨著檢測技術的提高，有些型號儀表含量允許高達≤4%0。低密度顆粒的粒子直徑小于λ/8（λ=聲波長度），對儀表幾乎沒有影響。
④ 高衰減液體的局限通常高粘度液體伴隨著高幅度的超聲衰減。例如20℃ 水（運動粘度1.003×10-6m2/s）在1MHz時壓力波衰減0.22dB/m，而運動粘度為1.1×10-2m2/s的在1MHz時衰減高達95dB/m。高粘度液體的衰減可能導致妨礙儀表正確運行。這一故障現象通常會被儀表電子部分檢測出來。粘度衰減程度通常是聲波頻率的函數，降低儀表工作頻率有時可使之正常工作。
制造廠曾有應用刑TTUF于某些高粘度液體失敗的經歷，例如高濃度磷酸，30%以上氫氧化鈉，原油、、漆等。
5 操作運行
① 聲波在液體中傳送方式和換能器布置 外夾裝刑F的聲波在液體中傳送方式有三種，即直接透射（Z法）、一次反射（V法）和多次反射（W法）。三種方法中主要使用Z法和V法，較少使用W 法。Z法用于大管徑，聲程比其它方法短，信號損失小，然而正確安裝、測量換能器間距和準直較為困難；V法聲程較，可得較佳時間分辨能力，受旋轉流影響小，兩換能器安裝在管道同側，定位準直和測量間距容易準確；W法用于小管徑以增加聲程。
在水平管道上換能器裝在管道截面積“3或9點鐘"的位置，這樣可避免安裝“12或6點鐘"位置時液中氣泡集源于頂部，顆粒沉于底部流動給測量帶來影響。
② 換能器定位 定位方法按換能器設計和聲波傳送方法而定。大部分換能器用如鋼帶（絲）等鎖緊機構定位，安裝于測量好的相隔距離位置。制造廠還常提供“校準軌道"，以幫助測量距離和定位。
如置于預定位置卻沒有信號，有些制造廠建議實施稱作“掃描"的操作步驟。移動兩換能器相對位置直到找到信號，或信號從弱變強。兩換能器開始相距遠一些，然后相向漸漸靠近的方法，較之開始相距較近再相背遠離掃描為佳。如果通過掃描才有信號，說明管直徑、壁厚、材料和液體的參數等可能設定有誤，從而原定位置找不到，因為“正確位置"只有一個。
③ 從安裝調試獲悉流動狀態 流速分布畸變的流動和旋轉流很大程度上干擾測量準確度。應按上文所述要求，儀表與上下游擾動源相隔相當距離。不管怎樣，采用下述一些方法可獲悉大體流動狀態，取得效果。
沿著管圓周移動兩換能器，核對所測得不同位置的流速，流速可能是實際的平均流速，因為在最不對稱位置時的平均流速讀數。這是所有發表實驗報告論據所建議的評估方法。從不同位置所測得流速還可估量不對稱流速分布的狀況和不對稱程度。
比較Z法和V法各自測得的流速，如果兩者相差很大，表明存在嚴重橫向流動，也就是有旋轉流的跡象。應給予注意。
④ 耦合劑和管表面處理 耦合劑使超聲在換能器和管壁接觸表面有可靠的傳輸。長期（固定）安裝和短期（移動）安裝應用不同的耦合劑。長期應用型耦合劑基本上是阿拉提膠（Araldites）和不加填料的環氧樹脂（填料會散射超聲）。性固定安裝耦合劑需定期檢查，檢查周期按其類型由供應商規定，也可用有診斷功能的TTUF本身檢查何時應予調換。
短期應用型耦合劑有硅脂、車軸脂等，要保證它們不干枯，推薦擠出3~4mm厚約5mm直徑耦合劑沿著換能器然后壓向管壁。
在處置耦合劑前還應作好下述預處理措施和注意事項：
a 安裝換能器區的管外壁要始終清潔、無油脂，若有涂層等覆蓋層必須去除之，特別對含有纖維和金屬網的覆蓋層。
處理管壁時要保持管道原有圓周線輪廓。因為要保持換能器表面和管道軸平行，因為1°角度誤差可能改變1%~2%的聲程長度。
b 不要應用過量耦合劑，必須十分小心以防止過度鋪開和混合耦合劑時進入空氣。多粉塵多絮狀物環境下要十分注意防止其混入，因粉塵和絮狀物會減小耦合作用，且易使耦合劑干枯。
c 如管壁有凹坑，用足量耦合劑填滿之，形成完整的聲路。若是塑料管，略為打毛表面以保證環氧樹脂等耦合劑粘附。
⑤ 液體溫度 液體溫度會有幾方面的影響，即影響在液體中的聲速，液體密度和粘度，以及由這些而影響雷諾數和流速分布。若流程中液體溫度預期是有變化的，儀表應具備補償功能。此外，液體溫度也左右著耦合劑的選擇。低溫和高溫還要選用專用換能器，溫度增加會降低某些保護壓電晶體封裝材料的聲透射性。溫度過高將降低壓電晶體的有效性甚至停止工作。有能用于測量-190~+500℃ 的專用換能器，但標準換能器的典型溫度范圍為-40~+100℃。有些高溫用換能器采取裝在經金屬耦合體接續的長緩沖棒末端。
要注意不同溫度條件下耦合劑的選擇和應用，非正常運行條件要向耦合劑供應者咨詢。水基耦合劑在高溫下將被蒸發，在低溫下被冰凍和改變性能；油基耦合劑在高溫下將會流淌，在低溫下有些耦合劑會改變性能。
⑥ 管道尺寸和發射頻率所有型號夾裝式TTUF可用多種規格換能器，以支持寬范圍管道尺寸。頻率1MHz換能器是標準型號，適用管徑范圍50~2000mm；2MHz用于小于100mm到10mm較小管徑；0.5MHz用于約為500~5000mm管徑。
一般地說流體中含有氣泡或顆粒建議采用較低頻率；同樣，若聲波穿透管壁存在困難也是趨向于采用較低頻率。
⑦ 管內徑和壁厚測量 前文提到管內徑的重要性，管內徑測量的不確定度是流量測量不確定度的主要組成部分。通常測量管內徑的步驟為：
管壁除用作計算內徑外，還與管材質一起計算換能器定位位置，因此還影響聲程聲速測量。壁厚可以多種途徑獲悉：a從設計圖紙或管規格獲悉，此法但很不準確。因為管名義尺寸有相當幅度公差范圍，例如，DN200~DN500熱軌無縫鋼管，用名義壁厚計算流通面積有可能與實際相差±（1~1.25）% ；b用超聲測厚儀實測壁厚，但本辦法對有襯里管道則不能辨別厚度是否包括襯里層，若測厚儀是能反應出有差別的反射，則對熟練操作者在辨別上可能有些幫助；c鉆小孔插入厚度規或直接直徑測量儀。
6 儀表性能規范
儀表性能規范方面主要是要向制造廠了解擬用TTUF是否有雷諾數修正和聲速修正，有哪些診斷功能。
① 雷諾數修正如圖1所示系數隨而變，有些型號具有修正功能而有些沒有。修正是基于對特定被測液體特性和工況條件的了解。若液體在測量過程中溫度有顯著變化，就必須要具備在線修正功能。應向制造廠詢問或查閱產品樣本、使用說明書，擬用儀表是否有本功能。
② 聲速修正所有型號外夾裝TTUF要求用戶在初始設置階段輸入聲速或液體名稱及其溫度，作為計算兩換能器間隔距離的一個步驟。有些型號儀表在以后測量過程中繼續利用此數據，而另一些則另行“在線"測量工作條件下在液體中的聲速。若被測液體在運行過程中溫度變動具有不容忽視的聲速影響，應向制造廠詢問是否具備聲速修正功能，采用什么方法。
③ 診斷功能幾乎所有型號TTUF均有換能器接收信號強度指示，信號強度再結合自動增益控制以補償聲波在管壁和液體中的衰減。當換能器間距顯露出不正確狀態時，信號強度指示還可幫助掃描尋找正確位置。
另一診斷功能是利用測量相位時，測量接收信號的信噪比，給出可信的測量品質指示。
大部分儀表測量系統是基于微處理器組成的，儀表均有各種各樣診斷硬件和軟件的功能。這些功能因型號而異，應向潛在供應商詢問功能范圍。
參考文獻
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