超声波流量计在一联合常减压装置中的应用

超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表，它从20世纪80年代开始进入我国工业生产和计量领域，并在90年代得到迅速发展。近几年来，随着电子技术、数字技术的发展，使得超声波流量计的技术不断发展，基于不同原理、不同结构，适用于不同场合的各种类型超声波流量计得到了广泛应用，尤其在测量某些特殊介质流体时，因其具有运行稳定、安装简单、维护量小等优点，深受广大用户的青睐，所以在国内外的石油、化工、冶金、自来水、矿山、造纸、钢铁等工矿企业得到了广泛的应用。在一联合常减压装置有九台被应用，占据很重要的位置。

1 超声波流量计的分类

超声波流量计是一种利用流体流动对超声波束在流体中传播速度的改变来测量满管流体体积的仪表。按照不同的测量原理、结构、供电方式和使用场合分类，有如下几种形式。

根据对信号检测原理的不同可分为多种，主要有时差式、多普勒式和声束偏移式流量计。声束偏移式流量计是利用超声波在流体中传播时，因流体流动而产生的偏移程度来反映流速或流量值。

根据超声换能器的配置方式的不同，可以分为单声道、双声道和多声道三种形式流量计。双声道换能器能发射两个不同频率的独立超声波信号，两种频率用于自动识别和消除诸如有不稳定的频率激励而产生的噪声干扰，从而大大提高了测量准确度。

根据换能器的供电方式不同，可以分为外帖式、管段式和插入式三种。管段式超声波流量计把换能器和测量管组成一体，解决了管道因材质疏松内壁积垢等原因，导致超声波信号严重衰减的难题，同时提高了测量准确度。插入式超声波流量计可以在不断流的情况下，利用专用工具在管道上打孔，将换能器插入管道内进行测量。由于换能器直接在管道内发射和接收信号，其信号只经过被测介质，而不经过管壁和衬里，所以流量测量不受管壁和衬里材质的影响。

根据超声波流量计的使用场合不同，可分为固定式和便捷式两种形式。固定式超声波流量计安装在管道固定位置上长期连续运行，通常有4~20mA信号输出，供远传显示、控制使用。便捷式流量计主要用于对不同口径、材质的管道内流体流量作临时性测量，就地显示或存储流量信息。

2 超声波流量计的测量原理

2.1 多普勒式超声波流量计

内容多普勒式超声波流量计是利用多普勒效应原理来测量立体的流量。

如图1所示，换能器A发射频率为fA的超声波信号，经过管道内流体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以fB的频率反射到换能器B，着就是多普勒效应，fA与fB之差即为多普勒频差fd。

设流体的平均流速为vm，超声波声速为C，多普勒频移fd正比于流体平均流速vm，即

所以流体流速

当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定后，C、fA、θ即为常数，流体平均流速和多普勒频移成正比，通过测量频移就可以得到流体流速，进而求得流体流量。

图1 多普勒式超声波流量计测量原理

2.2 时差式超声波流量计

内容当超声波在流体中传播时，探头A发射的超声波脉冲被探头B接收，同时探头B也发射超声波脉冲，被探头A接收，于是同一传播距离就产生顺流和逆流传播的时间差，时差式超声波流量计就是利用超声波顺流和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理求得流速，进而求得流量。

如图2所示，超声波换能器A和B安装于测量管道的外侧，组成一个测量声道，两个换能器之间的距离为L，测量声道A和B与测量管道中心轴线形成夹角θ，超声波在被测流体中声波传播速度为C。

由换能器A向换能器B发送超声波信号，这是顺流方向，其传播时间为：

式中，C、L、θ均为常数，测得时间差Δt即可求得流体平均流速vm，再乘以管道截面积就可算出流体的体积流量。

图2 时差式超声波流量计工作原理

3 超声波流量计在装置上的使用及所出现的故障

目前一联合常减压装置共使用了九台超声波流量计：

FIC115 测量去电精制常一线油流量；

FI134 测量去电精制常一线油流量；

FI135 测量常压蒸馏塔底油流量；

FI137 测量常压一中回塔顶油流量；

FC1209 测量去电脱盐一路油流量；

FC1209A 测量去电脱盐二路油流量；

FC1210 测量去电脱盐三路油流量；

FC1214A 测量减压蒸馏塔一线油流量；

FC1214B 测量减压蒸馏塔二线油流量。

本装置使用的超声波流量计测量的流体都是液体（原油），且流体相对比较清洁，密度较小，在0.6~0.9粘度也比较小。流量计利用的都是时差式测量原理。其中FIC115经常出现的故障现象是：有时波动比较大，过一段时间自动恢复正常。FI1209A出现的故障为：测量值很小，长期偏离实际值，且测量值几乎不变化。

4 超声波流量计的故障分析判断及处理

针对超声波流量计FIC115出现的故障，去现场查看，没有报警显示信息，查看声速设定值为800，与设计值一样，再查看超声波信号强度为58.6，也正常，检查信号线与电源线没有发现松动现象。平时测量正常，有时出现短时间的大幅度波动，可能是超声波流量计的核心处理器系统短时间故障，处理不过来，这种可能性比较小；很有可能是工艺原因，管道内的原油短时间出现不满管的现象，导致出现气液两相的情况，使得超声波的传播速度发生变化，测量出现大幅度波动；还有可能是管道内有固体颗粒、结垢或管道被腐蚀。仔细察看，发现换能器安装在管道的最高处，这样就很容易出现管道内断流现象，因为只要上游瞬间出现断流，就必然会导致换能器处断流发生，如果把换能器安装在最高处的下端，上游瞬间出现断流，其换能器处位置相对较低，由于重力作用，不会马上出现断流现象。所以FIC115应该是换能器安装位置太高，只要将其位置移至较低的地方，目前的故障就会解决。

对于FI1209A出现的故障，查看声速设定值为900，与设计值一样，再查看超声波信号强度为38.7，与其他几台超声波流量计相比偏低，其他几台均在60左右，于是就将耦合剂加到换能器的变送器与衬里之间，加强超声波信号的接收，提高超声波的信号强度。由于现场安装条件的限制，换能器的另一端拆不下来，紧帖着换热器的保温壁，于是只加了其中一个换能器的耦合剂，其超声波强度提高到42.4，还是没有消除故障。是不是介质密度发生了变化，于是就将原来的介质密度设定值改变，经过数次的改变，发现测量结果还是不正确。检查现场换能器的安装情况，没有松动现象，仪表接线正常。怀疑是超声波流量计的核心处理器电路板有故障，于是就将超声波流量计FI1209A的两根信号线拆下接到旁边的超声波流量计FI1209上，其指示值与FI1209几乎一样，所以超声波流量计的电路板是好的。联系厂家，说是超声波信号强度不能低于45，原来就是耦合剂干涸，影响了换能器对超声波信号的发射与接收，导致超声波信号强度不够，所以测量不能正常进行。

5 结束语

通过对超声波流量计原理的进一步了解与现场超声波流量计故障分析与判断，得出自己的一些见解，换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑方式的选择和位置的确定两个问题。在安装方式上，时差式超声波流量计的换能器主要有W型、V型、Z型与X型四种。根据不同的管径和流体特性来选择安装方式，通常W型适用于小管径（25～75mm），V型适用于中管径（25～250mm），Z型适用于大管径（250mm以上），X型适用于中管径（25～250mm）测量精确度要求高的场合。总之，为了提高测量的准确性和灵敏度，选择合适的安装方式，使得测量信号（即差值）与二次仪表相匹配。目前除FI137用了V型安装（管径75mm），其余均采用Z型安装。为了保证仪表的测量准确度，应选择满足一定条件的场所定位：通常选择上游10D、下游5D以上直管段；上游30D内不能装泵、阀等扰动设备。尤其要注意换能器尽量避开有变频调速器、电焊机等污染电源的场合。换能器也不要安装在管道最高处，以保证管道内流体满管。换能器安装位置应该留有适当的空间，便于维修或添加耦合剂时的拆装。在维护方面：定期检查信号及电源线，定期加耦合剂，保证超声波信号发射与接收强度。另外，建议配一便捷式超声波流量计，便于在由于工艺方面原因引起的故障的判断与处理。

参考文献
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