多普勒超声流量计的研究与应用

陈芙蓉，裴 锐,2

（1.沈阳计量测试院，沈阳 110179；2．沈阳工业大学 信息科学与工程学院，沈阳 110870）

0 引言

多普勒超声波流量计可用于检测多相流介质，主要由变送器和传感器单元组成。变送器主要完成超声信号的发射和接收，以及流量计算、显示输出等功能，由传感器进行信号的能量转换。其采用外夹式超声波测量方法，安装简单（夹抱在工艺管道上，无需停车），无磨损，可在线维护（几乎不需要维护），适用于不同管径，可输出瞬时流速、瞬时流量、总流量，界面直观，操作简便。其采用4mA ～20mA 隔离电流输出，RS-485 现场总线接口，高、低流量报警（两路开关量），适用于钢铁、硬质塑料等硬质管材，可以对多种管径、壁厚和管内含有悬浮固体颗粒或气泡的二相流体进行测量，适用于矿山、油田、冶金、化工、炼油、造纸、食品、城市污水处理厂及环保监测等行业，适用于城市排水、工业废水、生活污水、泥浆、纸浆、油水混合液等流量计量[1-4]。

1 工作原理

当流体中含有悬浮粒子时，粒子将随着流体一起运动。当一束频率为f 的连续超声波沿着与流速成θ 角的方向传播时，则粒子散射的超声波频率fs和f 之间将服从多普勒关系。在此理论基础上，可通过计算频率差值得到超声波流量。如图1 所示。

图1 多普勒原理图Fig.1 Doppler schematic diagram

通过流量计的信号处理系统，可得到介质流速为：

相应的管道信息为已知条件，上位机通过一定的算法，可容易得出管道内的瞬时流量为：

式（2）中：Q 为瞬时流量；V 为介质速度；Rn为修正系数；D为管径大小。

多普勒流量计的基本工作原理是建立在多普勒效应的基础上，根据物理学上的多普勒效应，发射信号和接收信号由于相对运动而产生的频率变化，变化的大小与两物体之间的相对速度有一定的逻辑联系，一般呈现正相关。超声多普勒流量计在测定时，信号声源往往是超声波发射器，声源与流体颗粒之间发生相对位移，进而发生多普勒频移。该频移大小与管道内的介质流速正相关，根据频差可以计算出流速，进而得到管道内介质流量。多普勒效应的超声流量计的电路主要包括驱动换能器和接收器两部分，驱动频率可调的换能器驱动电路实现对换能器的工作驱动。换能器受到激励后发出超声波信号，经耦合剂耦合进入管道遇到颗粒等流体会发生折射和散射。接收器采集返回的信号，并转换为微弱的电信号。一般电路设计包括前置运放放大器、中心频率可调的FIR 带通滤波器、锁相环放大器、信号整形调理电路等，其中FIR 带通滤波器的中心频率由MCU 动态调整，根据现场不同换能器及流速范围设置不同的中心频率。回波信号经过放大滤波，锁相放大，与参考基准信号相乘的方波信号，MCU 定时器采集方波的实时频率，LCD 本地显示，RS485 输出至后端仪表。

2 安装应用

2.1 安装步骤

选取测量区域内充满流体代表性介质的位置。该位置应光滑、无焊点，打磨光滑该区域，用喉箍固定护罩底座；将传感器测量面涂抹耦合剂（或润滑油），确保传感器与管壁贴合后，传感器测量端平面与管壁的弧面空间内充满上述耦合物质；用黑色轧带头部，从上而下穿过护罩底座的传感器固定栓1，然后穿过传感器顶部的两个固定孔（注意传感器方向，射频线接口靠近防水接头），然后从下而上穿过传感器固定栓2，最后把黑色轧带扎紧。固定后，注意传感器管道方向的中心线与管道表面充分贴合，而且传感器较稳定。完成固定后，连接射频线并拧紧防水接头，最后安装密封圈并用螺丝固定护罩顶盖。传感器安装简易示意图如图2 所示。

图2 传感器安装简易示意图Fig.2 Simple diagram of sensor installation

图3 现场配置参数图Fig.3 Configuration parameter diagram

换能器材料是用来放置压电陶瓷的，其材料要求声波传输时的损耗小，且现场安装易于与管道外壁接触耦合。有机玻璃声楔材料，具有硬度高，传声性能好的优点，是目前应用最广泛的材料。

2.2 安装要求

安装位置的管道需要充满待测介质，为保证测量精度，确保安装位置满足最小直管段要求，传感器安装位置应清洁、光滑、无焊点，不可将传感器安装在水平管道的顶部或底部，安装位置应避免强烈震动[5-8]。

2.2.1 整体位置要求

水平或垂直流向管道，优先选择管道底部或向上的位置安装，避免在管道最高点或向下位置安装。在开口排放管道时，设备应安装在管道的较低处，不可安装于工艺管道的末端排空区间内。

2.2.2 直管段长度要求

最优长度：上游直管段要求20 倍于管道公称直径，下游直管段要求10 倍于管道公称直径。基本长度：至少满足上游直管段10 倍于管道公称直径，下游直管段25 倍于管道公称直径。

2.2.3 安装角度要求

水平管道时，优先安装在水平位置（与竖直方向成90°）。若安装条件不满足（水平），则考虑斜上45°与斜下45°夹角内（与竖直方向的45°～135°内）。被检测管道底部有沉积介质时，安装位置推荐水平与斜上45°夹角范围内，其它情况推荐水平与斜下45°夹角范围内，竖直管道可根据现场情况选择相应安装位置。

2.2.4 泵送管道要求

在泵后安装时，安装位置距泵的出口距离管径规格DN50 ～DN300 时需要≥10m；管径规格DN300 ～DN1000时需要≥30 倍管道公称直径。

2.2.5 阀门要求

为了避免管道不满管导致设备测量失效，要求在设备的上游禁止安装调节阀。如在下游安装调节阀，则最小距离必须大于5 倍管道公称直径。

3 参数配置

系统设置包括：累积流量单位（m3、L、GAL）、流量单位（m3/h、min、s）和流速单位（m/s、ft/s）。

参数设置包括：管道信息（管道材质、管道OD、管道ID 和衬里TH）、流体状态（粘度系数B、流量上限、流量下限和平滑时间）、平均加权和标尺因子。权限管理包括用户权限和管理员权限，设备操作包括流量清空、语言选择和恢复出厂设置。

仪表上电后，将进入初始化界面，一段时间后自动转入流量测量状态，即进入流量显示界面。该界面显示测量的瞬时流量、流速以及累计流量数据。主界面分别显示：①仪表型号；②体积流量；③信号强度（dBm）；④累积流量；⑤当前流速；⑥键盘锁定标志。

具体管径材质选择结合现场需求以及附录声速表，设置不同材质对应的声速值，具体参数如下：

管道材质：不同材质对应的声速值，默认3600；管道外径OD：根据现场管道外径设置，默认320；管道内径ID：根据现场实际管道内径，默认260；流量上限：现场实际流量进行设置，默认5000；流量下限：现场实际流量进行设置，默认0；平均加权1：检测的流量值平滑个数，默认200；平均加权：对检测的频率值平滑个数，默认50；标尺因子：流量校准标尺，默认1。

表1 管道材质声速表Fig.1 Pipe material sound velocity table

4 结论

本文介绍了基于频移测量多普勒超声流量计的工作原理，现场流量计的安装步骤、安装要求及参数配置，并阐述了不同管道材质的声速和介质粘度对多普勒流量测量的影响。多普勒超声波流量计可用于检测多相流介质，适用于城市排水、工业废水、生活污水、泥浆、纸浆、油水混合液等流量计量，弥补常规流量计无法测量的不足。