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超声波测流量技术

摘要

超声波流量计是通过检测流体流动时对超声束(或超声脉冲)的作用，以测量体积

流量的仪表。文章主要讨论用传播时间法、多普勒效应法测量封闭管道液体流量

的工作原理。

1.引言

随着时代的开展，管道运输发挥着越来越多的作用，管道泄露引发的平安事故也时有发

生，这不仅使得管道运行受到制约，也使得百姓生命财产平安蒙受巨大损失。

所谓泄漏就是由于密闭的容器、管道、设备等外两侧存在压力差,在其使用过程中,部介

质在不允许流动的部位通过孔、毛细管等缺陷渗出、漏失或允许流动的部位流动量超过允许

量的一种现象。石油、天然气和输水管道的泄漏不仅导致了资源的损失,而且极污染了环境,

甚至发生火灾爆炸或水灾,严重威胁人民生命财产的平安。

而超声波测定流量的检漏是一种比较经济、方便和易于安装维护的技术。首先,将管道

分成假设干局部,每一局部都安装上超声波流量测定装置以测定这局部管道流进的和流出的

体积流量,同时测定管道温度和环境温度、声波在管道流体的传播速度等参数。然后,根据体

积平衡原理并应用计算机软件模型处理管道各个局部所有参数的测定结果,分析和比较管道

输送中分别在泄漏时和正常运行时的参数状况,由此诊断和确定管道泄漏量和泄漏点位置。

通常,较短的处理周期说明了一个较大的泄漏点,较长的处理周期说明了一个较小的泄漏点。

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超声波测定流量的检漏系统与声发射技术的管道泄漏检测系统类似,都是在管道外部安装非

破坏性的设备或器件的检漏技术。超声波测定流量的检漏系统已经成功地应用于城市供水管

道系统中的泄漏状况诊断。除此之外,还有便携式的超声波管道检漏系统,可供有经历的技术

人员佩戴超声波耳机并在现场沿着地下管道线路巡检使用,同样具有比较准确的漏点定位能

力。

2测量原理

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三局部组成，

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。超声波发射换能器将

电能转换为超声设能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，

经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供应显示和积算仪表进展显示和积

算，这样就实现了流量的检测和显示。非接触式仪表，适于测量不易接触和观察

的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进展敞开水流的流量测量。使用超声

波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻

力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。

超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发

射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某

一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便

检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器那么是利用压电效

应。超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径

超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固

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定压电元件，使超声波以适宜的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成

换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波

经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透

明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可

作声楔材料。封闭管道用超声波流量计按测量原理分类有：①时差法；②多普勒

效应法；③速差法；④相关法；⑤频差法。

2.1时差法

声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向那么减小，同

一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取

流速，称之时差法。

〔1〕流速方程式

如图1所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的