上海石化化工部乙二醇、聚乙烯醇、動力裝置的物料特性以及測量，超聲波流量計在生產過程中的應用，分析超聲波流量計 在化工裝置運行中出現的問題，給出解決辦法和使用維護經驗。

0.引言

超聲波技術所反映出的聲學特性早已為人們所掌握。近幾 年來，隨著信號采集和信息處理技術的發展，對于超聲波信號的 發送、接收、處理的各種方法日漸成熟，超聲波技術逐漸被運用 到工業測量中。由于超聲波流量計操作簡便，測量精度高，技術 上不斷成熟，已經開始在很多領域得到廣泛應用。上海石化化工 部乙二醇裝置碳酸鉀流量的測量；聚乙烯醇裝置火炬氣流量的 測量;動力裝置工業循環水的測量等都是比較成功的應用案例。

1.測量原理

超聲波流量計是基于超聲波在流動介質中的傳播速度等于被測 介質的平均流速與聲波在靜止介質中速度的矢量和的原理而設計開 發的流量計，由換能器和轉換器構成，特別適用于大口徑管道的流量 測量，測量管內部無任何阻力部件或可動部件，采用直接動力學原理 進行測量，無任何假定條件，氣體流速與本身成分、密度、溫度等性質 無關。它的測量方式屬于非接觸式測量，綜合各方面特點，超聲波流 量計比較適合解決化工物料流量測量困難的流量測量儀表。

目前，在化工生產中介質流量測量廣泛應用的超聲波流量 計主要包括兩類：多譜勒型超聲波流量計和時差型超聲波流量 計。兩者都是利用超聲波的聲學特性和相關信息處理手段采集 和處理超聲波信號，但其工作原理和適用場合存在區別。

1.1多譜勒型超聲波流量計

如圖1所示，2個探頭(超聲發送器和接收器)在被測流體 流過的管路兩側對稱安裝。超聲信號發送器首先發射超聲信號 (頻率f)，管道內液體介質中的氣泡或顆粒物會使超聲信號的 頻率發生改變，此后超聲信號接收器會接收到頻率h的超聲信 號，在此過程中超聲信號頻率發生了偏移，也就是多普勒效應， 而h與h之間的差值h被稱為多普勒頻移。經過理論分析得 知，多普勒頻移/d與流體的流 速f成正比，再結合管道的橫 截面積就可以將流速的測量轉 換成被測流量的大小。

1.2時差型超聲波流量計 如圖2所示，2個換能器通過測量順流和逆流傳播的時間 差計算流體流速，比較適合于大口徑的管道(直徑>200 mm),2個換能器分布于管道兩側安裝在上 游和下游，并且可以同時發射和接收超聲波信號。由于流體流速的 作用，順流換能器發射的超聲波的聲速增加，逆流換能器發射的超 聲波的聲速減小，這樣就會出現一個時間差(與流體流速成正比)’ 對時間差的測量轉換成流體流速進而得到被測流體的流量。

2.超聲波流量計在化工生產裝置上的應用

2.1實例一

上海石化化工部乙二醇裝 置mo3碳酸鉀)的流量測量原 先采用的是差壓式流量計（孔 板k里計 >。使用過中由于物料(碳酸鉀)本身特性，導壓管伴 熱不均勻時，經常會使碳酸鉀圖2時差型超聲波流量計工 結晶體堵塞導壓管造成測量不準確，給生產控制帶來很大的影響。在技術改進中，希望采用其他 類型的流量計。通過將超聲波流量計與孔板流量計在壓損、測量適 用范圍、對測量介質的特性、維修維護工作量、測量準確度、性價比 等各方面比較，鑒于超聲波流量i十在以上各方面具有優勢，改用多 普勒型超聲波流量i十對碳酸鉀物料流量進行測量，使用一段時間 后，解決了之前存在的測量不穩定問題，并且提高了測量的準確 度，同時降低了儀表的維護工作量，取得了非常好的改進效果。超 聲波流量計與孔板流量計技術性能對比見表1。

2.2實例二

上海石化聚乙烯醇裝置的火炬氣流量測量一直是一個比較 難解決的問題，火炬氣管道口徑1200 mm,同時流速波動大，最 小流速0.5 m/s，最大流速可達60 m/s，而且管道內物料的組分變 化大，因此對于流量的測量使用常用方法比較困難。為了解決這 一難題，嘗試選用時差型超聲波流量計測量火炬氣流量，通過一 段時間的實踐效果相當理想，不但準確地實現了火炬氣的流量測 量，還精確地控制了火炬頂端蒸汽的注入量，同時降低了能耗，使 企業生產更符合環保要求。該測量系統由測量管、傳感器固定件、 超聲波傳感器和信號處理電路組成。其中測量管要求光滑并且具 有一定長度，傳感器固定件是保證生產進行過程中維修更換方 便，超聲波傳感器配備壓力監測和溫差補償功能，信號處理模塊 可獲得瞬時流速，體積流量，質量流量，累積流量等數據。

在有氣體流動的管道中，超聲順流傳播的速度比逆流時快’ 管道中氣體的流速越快，超聲順流和逆流的時間差就越大。超聲 波在傳播過程中，由于物料組分的變化或者紊流的作用，聲阻抗 在不同的條件下會產生不同的變化，因此需要選擇不同的聲波信 號調制模式。在氣體多相流的測量條件下，可以選擇相位調制方 式為主幅值調制方式為輔的信號處理方法。上游換能器發射的連 續超聲波穿過被測流體到達相應的安裝在下游的接受超聲信號 的換能器，由此形成信號通路。每一個換能器關聯的信號都包含 特定的擾動標記，接收的信號經過處理后會出現一個互相關聯的 波峰值，該值反映了擾動標記通過發射和接受信號通路的時間。 而在安裝時就固定好2個換能器的間距，就可以用間距除以擾動 標記通過發射和接收通路之間的時間計算得到流速的大小。

2.3實例三

上海石化動力裝置的工業循環水工況屬于大管徑大流量， 管道口徑達1000 mm,通常測量循環水的流量計大多安裝在水 井中，工作環境潮濕，有時會被水淹沒覆蓋。因此，考慮采用超聲 波流量計進行測量。超聲波流量計可采用管外安裝、無需將管道 截斷或流體停流，不會對管道內流體的流動產生阻礙，并且介質 的導電性和腐蝕性對其測量不產生影響，造價基本上與被測管 道口徑大小無關，因此口徑越大其價格優勢越明顯。顯示上可提 供瞬時流速、瞬時流量、體積流量、質量流量、累計時間、累計流 量等多方面數據，并且具有自診斷功能，可對流體中的實時狀態 進行分析。實踐證明，選用超聲波流量計后提高了流量測量的準 確度，為工藝操作提供準確的保證，同時也減少了維護工作量。

3.超聲波流量計的安裝調試與維護保養

3.1安裝調試

(1)安裝方法。超聲波流量計一般由換能器及其安裝組件、 信號處理單元和流量計表體三大部分組成。換能器部分實現電 能和超聲波之間的形式轉換，比較常用的是現場插入式、外夾式 兩種安裝方法，其中現場插入式換能器直接與被測流體接觸，外 夾式換能器安裝在管道壁外側，同時安裝換能器處的管道可做 表體使用。其次是測量點的選擇，一般要求需要有一定長度的直 管段(上游10D,下游5D，D為管道直徑）以實現流體流動狀態 的穩定，減小測量誤差。插入式換能器的安裝可以用鉆孔工具在 不停產狀態下將傳感器(探頭)插入管路中，外夾式換能器的安 裝則需要先將安裝位置處打磨光滑，然后使用粘合劑將換能器 粘貼于管道外壁安裝位置，最后再夾緊固定。另外，超聲波流量 計傳感器(探頭）的安裝方式常用的有兩種：“V”方式安裝和“Z’ 方式安裝。

(2)調試方法。線路連接完后，先在探頭內部注入硅膠(靜置 0.5 h以上），然后將探頭的引線端向外將其固定于管道外壁。調 試過程中，可觀察信號輸出強度、優良度、傳輸時間比等參數是 否正常(信號強度為6.5 dB，信號優良度:低峰值(8~16)dB，高峰 值(25~75)dB，傳輸時間比100左右)。如有異常，可微調探頭位 置，也可以微調上下游2個換能器的安裝位置、安裝間距、管道 貼合度，通過各方面的調整使信號強度最強。

如果被測管道有保溫層，要刮掉一部分，否則無法實現準確測 量。同時管道表面盡量光亮，粗燥的用砂紙打磨。測量過程中，如果 讀數變化很大，可采用連續讀數取平均值的方法來讀取流量值。

3.2使用維護

（1）定期檢査換能器是否松動，與管道之間的粘合是否有效。

（2）定期清理探頭上的水垢和沉積的雜質。

（3）定期檢査流量計與管道之間的法蘭連接是否完好，并適 時監控現場溫度與濕度在一定合理范圍內，避免對電子電路的 不良影響。

3.3常見故障原因分析及處理方法

3.3.1流速數據顯示劇烈跳動

故障現象。流速數據顯示劇烈跳動。

原因分析。探頭安裝位置可能存在局部振動;泵、調節 閥、孔板、渦輪或部分關閉的閥門狀態不穩定造成局部紊流;流 量計輸入管徑與管道內徑不匹配；

解決方法。更改探頭安裝位置，例如將探頭安裝在遠離 振動源的地方;將探頭安裝在遠離上述部件的地方;修改管徑， 使之匹配。

3.3.2數據顯示錯誤

（1）故障現象。數據顯示錯誤。

（2）原因分析。水平管道中的沉積物或氣泡等對超聲波信號 傳輸產生了干擾。

⑶解決方法。更換探頭安裝位置，可將探頭安裝在管道兩側。

3.3.3探頭故障報警

（1）故障現象。探頭故障報警。

（2）原因分析。可能是管道中雜質或沉積物較多。

（3）解決方法。建議定期對探頭進行清理和保養。

3.3.4探頭完好，流速緩慢

（1）故障現象。探頭完好無損，流速緩慢。

（2）原因分析。管道使用時間長，結垢嚴重;管道面凹凸不 平、有管襯式結垢;外夾式探頭與工件之間有貼合不緊密;傳感 器安裝纖維玻璃的管道上。

（3）解決方法。清除管道內部污垢;將管道磨平或選擇內表 面光滑管道材料內襯的地方安裝探頭；用耦合劑或耦合片排除 探頭與工件表面之間的空氣;將玻璃纖維除去。

3.3.5流量計讀數突然消失

（1）故障現象。流量計讀數突然消失。

（2）原因分析。被測液體介質溫度過高氣化或者超過其溫度 測量上限;傳感器的耦合劑老化失效或消耗殆盡;周圍環境中出現高頻干擾信號。

(3)解決方法。管道流體降溫;重新涂耦合劑;遠離變頻器或 高電壓電纜場強電磁干擾。

4.結語

超聲波流量計作為一種新型計量儀表，在適合的應用場合 正確使用，并且在安裝、使用和維護方面注意一些基本的技術問 題，就可以達到準確快速測量的目的，為化工生產裝置自動化系統的正常運行提供準確的測量數據，保證生產安全穩定地進行。