超声波流量计的特点及在电厂流量测量上的应用

苗志强　梁海雷

摘 要：文章首先概述了超声波流量计在实践中的测量基本原理以及不同角度的分类，然后对超声波流量计的基本特点以及存在的缺陷进行了比较详细的分析，最后通过案例详细分析了在电厂流量测量实践中超声波流量计的成功应用。

关键词：超声波流量计；案例运用；流量测量

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0117-02

1 超声波流量计测量原理概述

1.1 超声波流量计基本原理

在流动流体中流体的运行速度与超声波的传播速度之间存在着一定的关系，与固定坐标系相比，超声波的顺流中的传播速度远远大于在逆流中的传播速度。为了更好地对流量速度进行测量，首先需要准备一个能够发射超声波的超声波探头（即换能器），一般可以采用石英等制作成某种元件器件作为流量计中的超声波探头，由此可以在进行超声波发射的时候充分使用负压电高频电脉冲的作用力使得压电晶体实现稳定的高频振动，从而最终实现有一定脉冲变化的超声波发射效应。超声波可以从一定的角度发射进入到流体中进行传播，然后在超声波换能器的作用之下实现超声波信号的接收效能，与此同时，超声波换能器再一次经过一定的环节将高频电脉冲信号成功转换。从上述分析可以知道对同一个超声波换能器进行轮流性的使用可以成功发射不同类型的脉冲压力波，同时可以实现接受功能。

对超声波流量计可以从如下几个角度进行分类：一是按照基本原理可以将超声波流量计分为时差法、声环法、相位差法、相关法、沃街法以及多普勒法等；二是按照超声波探头的安装方式可以将超声波流量计分为外缚式以及插入式、插入式又可以按照是否带有测量管段来进行区分；三是根据声道数量可以将超声波流量计分为多声道和单声道两种类型；四是按照超声波的性能特点可以将超声波流量计分为便携式、固定式、标准型以及低温防水型等。

1.2 超声波流量计测量原理

从上述分析中，可以知道超声波流量计有多种类型，这里主要对时差法和多普勒测量法两种方法的测量原理进行详细概述。

时差法测量原理如图1所示，时差法测量一般情况之下是运用所测量流体传播声波来进行测量，并通过不同传播速度流体特征来测量他们在不同流动方向的传播速度之间的差值，从而最终测量出流体的流动流量以及相应的速度。

多普勒法超声波在进行流体流量测量实践中的基本原理如图2所示，这是在超声波在进行流体流量测量实践中所产生的多普勒效应对相应的频率差进行相关测量，由于主要是使用某一个固定的声源作为相应的发生器，随着流体与某一运动声源之前的相对运动，促使该物体进入到超声波中并最终出现超声波接收器的反射接收。进入超声波和发射超声波二者之间的频率差就是运动物件所产生的多普勒频移，并且所测量的多普勒频率差与流体流速之间呈现出一定的正比例关系，因此可以如果可以求出多普勒频率差，就可以相应得到流体的流速以及流体相应的流量。

2 超声波流量计基本特点分析

超声波流量计在长期的发展中逐步将传统的涡轮流量计、差压流量计以及电磁流量计等测量方法取代，从各个角度来进行分析，可以知道超声波流量计在实践运用中主要具备如下几个方面的优势特征：

第一，超声波流量计在实践中进行安装维修更为方便快捷，超声波流量计与其他的流量计方法相比而言，安装维修更为方便快捷，对于大口径的流量计量体统来说，超声波流量计在这一方面的优势是非常明显的，可以节约大量的人力和物流成本。近年来，随着超声波流量计在各个研究领域的实践运用，超声波流量计在安装维修时可以不用考虑是否在官道上切斷流量或者进行打孔等繁琐步骤。

第二，超声波流量计的测量管径相对较大，超声波流量计在进行测量时其管径测量最大可以达到10 m，这也是超声波流量计的突出优势，超声波流量计的适用管径范围相对来说较大，可以在一定范围之类进行较为自由的流量测量，当所测量的管径超出一定范围时，流量计可能会受到外界各个方面的因素限制而难以满足具体的测量要求，这个时候可以考虑使用超声波流量计来有针对性地解决这些问题，同时可以测量任意管径。除此之外，管径大小范围并不会影响到超声波流量计的价格，而其他流量计价格往往会随着管径大小范围的变化而变化。

第三，超声波流量计的测量可靠性较高，不论是湿式安装或者是外夹式安装的超声波流量计均不会对测量流量的流畅性产生影响，没有任何的压力损失；与此同时，以微机为中心的传感器可以使用锁相环路等计时的方法解决电力故障以及信号衰弱等方面的问题，从而使得超声波流量计的测量可靠性更高。

第四，超声波流量计的测量不会受到流体相关参数的影响，比如说流体的物理性能以及导电率、粗糙度等相关参数不会对超声波流量计的测量产生影响。除此之外，超声波流量计的测量结果可以通过计算机自动控制系统进行自动显示和打印，并实现联网运行。

但是，超声波流量计在实践运用中也存在一些缺点，一是超声波流量计的传感器安装情况对测量结果准确度有一定的影响，因此传感器安装有着严格的要求；二是超声波流量计的准确度与电磁流量计准确度相比还存在一定的差距。

3 超声波流量计在电厂流量测量上的应用

由于超声波流量计有着突出的技术应用优势，因此超声波流量计在电厂流量测量等各个领域得到了广泛的关注的应用，可以从如下几个应用案例中得到体现。

越南IAGIAI Ⅲ水电站中需要对循环水流量进行测量，由于所需要测量的管径属于超大型号，分别为DN6000型号和DN3000型号，在对所要测量的流量以及各种类型流量计进行全方位分析论证之后，最终认为最为经济适用可行的超声波流量计可以用来解决该方案，因此最终选取了超声波流量计对循环水流量进行了准确的测量，解决了相应的问题。

华能白杨河电厂在2003年以前一般都是采用差压式流量计实现单一方向的流量测量，在使用超声波流量计进行流量测量之后，发现了负流量现象，并因此为电厂节约了大量的购水成本，该电厂最初在凝结水管道上将涡衔流量计安装上，但是由于在实践中受到流量计工艺有所变动等方面的影响，从而对流量测量计的准确度和精确度提出了更高的要求，而涡衔流量计在这种情况之下无法满足这一需求，因此在保障电厂正常运行的情况之下可以选取超声波流量计做出更为精确的测量。

鲁能运河发电厂在2008年时在实践运用中需要对相关油量进行相应的测量，由于之前使用价格高达10万元的质量流量计进行测量，价格昂贵且运行使用周期较长，质量流量计的安装也极为不方便，后来鲁能运河发电厂选用了价格仅仅两万元的外夹式超声波流量计，不仅解决了存在的问题，而且在较低的成本之下达到了有效的测量结果。

华电漯河发电厂最开始选取了电磁流量计对流量进行测量，安装前后均做了较好的防腐内衬，其加工难度大且使用成本较高，但是选用超声波流量计时这些问题都迎刃而解了，没有使用更多的设备和安装成本。

综上所述，当前超声波流量计已经被作为主要的流量测量工具运用到愈来愈多的电厂，安装维护方便快捷且较长的生命周期优势使得超声波流量计备受欢迎，尽管超声波流量计还存在一定的缺陷，但是相信随着科学技术的高速发展，超声波流量计将以其综合性优势得到更为广阔的发展空间。

参考文献：

[1] 解兵，梅强，王成亮.超声波流量计在发电机定子内冷水流量测量中的应用[J].江苏电机工程，2007，（7）：53-54.

[2] 吕永焕.浅析超声波流量计在AP1000主给水测量中的应用[J].科技风，2013，（5）：158-159.

[3] 梅海舟.基于TDC-GP21型超声波流量计的开发与研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[4] 王旭，张赫男.超声波技术在核电厂给水流量测量中的应用[J].科技风，2012，（9）：78-79.