朱 銳 梁 芳 / 新疆計(jì)量測(cè)試研究院

0 引言

隨著供熱計(jì)量改革，熱量表已迅速進(jìn)入我國(guó)北方的千家萬(wàn)戶，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。熱量表由流量傳感器、配對(duì)溫度傳感器和計(jì)算器三部分組成。流量傳感器為超聲波式的熱量表稱為超聲熱量表。超聲熱量表一般采用時(shí)差法計(jì)算流體的流速。壓電換能器的安裝方式對(duì)超聲熱量表流量測(cè)量有較大影響，本文通過(guò)介紹超聲熱量表的換能器探頭安裝方式，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)分析每種安裝方式的特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)超聲熱量表選型提出相應(yīng)建議。

1 時(shí)差法測(cè)量原理

時(shí)差法是利用兩個(gè)壓電換能器相互向?qū)Ψ桨l(fā)射超聲波，雙方接收并記錄時(shí)間差，由于聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的速度不同，時(shí)間差可以準(zhǔn)確反映流體速度。測(cè)量原理見圖1。

圖1 時(shí)差法超聲波流量測(cè)量原理

圖1中，D為管道內(nèi)直徑，L為換能器間距，θ為傳播方向與流動(dòng)方向夾角。設(shè)t1為超聲波順流時(shí)間，t2為逆流時(shí)間，c為超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速，V為介質(zhì)流動(dòng)速度。則順流和逆流時(shí)間可表示為

t2和t1之間的差為

由于 V ＜＜ c，所以流體的流速為

由于時(shí)差法所測(cè)量的流速是聲道上的線平均流速，而計(jì)算流量所需是流通橫截面的面平均流速VS。兩者是不同的，差異取決于流速分布狀況。因此，必須對(duì)流場(chǎng)分布進(jìn)行修正。液體實(shí)際流速為

式中，K為流速分布修正系數(shù)。

可見，足夠的超聲波傳播距離，合理的傳播方式，才可能得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。換能器的安裝方式對(duì)超聲熱量表的計(jì)量性能有重要影響。

2 換能器安裝方式

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)超聲波的傳播軌跡，超聲熱量表?yè)Q能器探頭的安裝方式主要有V、N、W、Z、X、U六種方式。

2.1 V法

見圖2。V法安裝時(shí)，超聲波經(jīng)過(guò)壁面的反射，傳播射線軌跡為折線，經(jīng)歷兩個(gè)聲程。V法測(cè)量較準(zhǔn)確，可測(cè)口徑范圍較廣，是換能器的標(biāo)準(zhǔn)安裝方式。

圖2 V法安裝示意圖

2.2 N法

見圖3。N法安裝時(shí)，超聲波在管道中折射兩次，穿越流體三次，經(jīng)歷三個(gè)聲程。通過(guò)延長(zhǎng)超聲波傳輸距離的方法，提高了小口徑的測(cè)量準(zhǔn)確度。

2.3 W法

見圖4。W法與N法類似，也是通過(guò)延長(zhǎng)超聲波傳播距離來(lái)提高測(cè)量準(zhǔn)確度。超聲波在管內(nèi)折射三次，穿過(guò)流體四次，共經(jīng)歷四個(gè)聲程，適用于小口徑流量測(cè)量。

2.4 Z法

見圖5。Z法安裝時(shí)，超聲波在管道中直接傳輸，沒有折射，又稱為單聲程。當(dāng)管道很粗或由于液體中存在懸浮物或管內(nèi)壁結(jié)垢太厚，反射安裝方式信號(hào)弱時(shí)，應(yīng)首選Z法安裝。原因是使用Z法時(shí)，超聲波在管道中直接傳輸，沒有折射，信號(hào)衰耗小。一般口徑100 mm以上超聲熱量表采用Z法較多。

圖3 N法安裝示意圖

圖4 W法安裝示意圖

圖5 Z法安裝示意圖

2.5 X法

見圖6。當(dāng)流場(chǎng)分布不均勻，或表前的直管段較短，或需要較高測(cè)量準(zhǔn)確度時(shí)，可采用多聲道方式（例如雙聲道或四聲道）來(lái)克服流速擾動(dòng)帶來(lái)的流量測(cè)量誤差。雙通道方法，即為X法。X法通過(guò)對(duì)流速分布和面積的二重積分，計(jì)算出流量，因此可以在低流速、復(fù)雜的流態(tài)下得到較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

圖6 X法安裝示意圖

2.6 U法

U法安裝見圖7。U法是一種新式換能器探頭安裝方式。兩個(gè)反射片固定在管道內(nèi)，反射片與管道中心軸線的夾角為45°。換能器1發(fā)射的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)反射片后被換能器2接收，完成一次測(cè)量。U法安裝的優(yōu)點(diǎn)是：保證超聲波有足夠的傳播距離，避免了斜超聲波傳播時(shí)聲波折射角對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而提高了流量測(cè)量準(zhǔn)確度；缺點(diǎn)是：管道布置復(fù)雜，反射片對(duì)流場(chǎng)分布有一定影響。

圖7 U法安裝示意圖

另外，為了避免管壁反射造成的超聲波信號(hào)自身干擾、方向性差、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，對(duì)于反射安裝方式的超聲熱量表，廠家一般對(duì)反射面進(jìn)行精細(xì)加工，反射面不易結(jié)垢，超聲波信號(hào)反射效果較好。

3 分析

小口徑、小流量點(diǎn)的測(cè)量，是超聲熱量表流量測(cè)量的一個(gè)難點(diǎn)。因此，DN50 mm以下的超聲熱量表?yè)Q能器探頭一般采用多聲程反射安裝方式，如V、N、W、U四種方法。通過(guò)增加超聲波傳輸距離的措施，提高流量測(cè)量準(zhǔn)確度。由于U法反射片對(duì)低速流量影響較小，U法安裝測(cè)量準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，目前在小口徑超聲熱量表中也應(yīng)用廣泛。

DN50 mm到DN100 mm的超聲熱量表，換能器探頭多采用V、N、W、Z四種方法。由于口徑增大時(shí)，反射片對(duì)流場(chǎng)的影響增大，U型安裝方式較少采用。

DN100 mm以上的超聲熱量表，換能器探頭一般采用Z、X兩種方法。原因在于口徑較大時(shí)，單聲程能滿足測(cè)量要求，超聲波在管道中直接傳輸，沒有折射，信號(hào)衰耗小。安裝條件有限和需要較高測(cè)量準(zhǔn)確度時(shí)，一般采用多聲道的X法。

4 結(jié)語(yǔ)

戶用熱量表建議選用多聲程超聲熱量表，其中換能器探頭U法安裝的超聲熱量表在低流速流量測(cè)定中計(jì)量性能較好；樓棟熱量表建議選用單聲程的超聲熱量表，即換能器探頭為Z法安裝。管道壓損小，超聲波信號(hào)強(qiáng)，對(duì)水質(zhì)要求較低。在高準(zhǔn)確度流量測(cè)量中，X法安裝具有明顯優(yōu)勢(shì)。以上結(jié)論，在超聲熱量表檢定和校準(zhǔn)工作中已得到驗(yàn)證。

[1]姜志成. 超聲波反射裝置對(duì)超聲波流量計(jì)內(nèi)水流特性影響的研究[碩士學(xué)位論文][D]. 山東大學(xué)，2010. 7-9.

[2]章瑞平，李國(guó)鋒. 超聲波流量計(jì)在液體測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 廊坊師范大學(xué)學(xué)報(bào), 2003.12，19（4）：95-97.

[3]姜勇. 時(shí)差法超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)與研發(fā)[碩士學(xué)位論文][D]. 浙江大學(xué)，2006. 13-14.