0 引言

      外夹装超声流量计只要在既设管道外部夹装换能器，即可作无侵扰非接触测量，毋须对被测管道停流截管接入流量传感器，或打孔插入检测换能器，这是外夹装超声流量计在工业用流量仪表中所具有的独特优点。既可作移动性（即非定点固定安装）测量，用作管网流动状况评估测定，或作为检查已装用其他流量仪表测量准确性比对的参照流量值。

      外夹装换能器超声流量计有传播时间法超声流量计（transit time ultrasoNIc flowmeter，TTUF），多普勒法超声流量计（doppler ultrasonic flowmeter，DUF），相关法超声流量计（cross correlation ultrasonic flowmeter，CCUF）三种。本文在这三种外夹装超声流量计中仅讨论TTUF，因为刑F最广泛应用于各种洁净液体。DUF只应用于含颗粒和气泡的液体，且测量精度较低；CCUF通常只应用于双相流体，尚处在初期阶段，价格较贵，仅用于油井在线监控，一般应用尚缺乏吸引力。

      外夹装刑TTUF的测量准确度不能简单地仅以仪表制造厂声称的仪表准确度来期望测量结果，要充分估计系统中各因素的影响。例如，安装方面包括换能器的定位；测量管上下游管道状况；管道工程方面包括尺寸、材质、内壁粗糙度；流体方面包括洁净度、粘度、密度、雷诺数范围；运行操作方面包括声束路径布置、换能器夹装、几何尺寸测量；制造厂仪表规范方面包括是否具有雷诺数补偿等。本文就这些问题进行讨论。
     
      1 应用领域和性能

      夹装式TTUF应用于清洁液体，液体中只能含有小于某限量的固体颗粒或气泡。应用分固定永久性安装和移动临时性安装两大领域。固定安装常用于水行业、化学工业的不允许停流截管场所，半导体业的高纯度液，化学工业的腐蚀液，食品和医药业的防污染和卫生要求液，各流程工业泵的运行保护等场所。临时性外夹装传播时间法超声流量计应用准则蔡武昌安装应用于流程工业作为核对、维护管线上正在使用的流量仪表的工具；在水行业用作管网流动状况的分析测定，管网检漏，对固定安装流量仪表的核对，等等。

      仪表制造厂声称外夹装TTUF的准确度为测量值的1%~2% ，低流量时误差以固定流速表示，为±（0.01~0.03）m/s。运行中测量系统的准确度因各影响因素远近于此值，例如45°声路角有1。偏差就会产生1.7%流量测量误差，管内径0.5% 尺寸，偏差会产生1%流量误差。在现场十分细致的定位安装，良好运行条件下，系统测量准确度可期望在测量值的2% ~5% 。若定位安装粗糙（如管内径不作测量仅用名义尺寸），操作不细致，测量误差可能超过10%。系统重复性可望达到1%。

      2 安装影响

      单声道TTUF无论在紊流充分发展流动或流速分布畸变流动，均敏感于流速分布变化。TTUF所测量的是声束线平均流速vb，而需要的是流通面积的面平均流速vp•vb与vp间介入转换系数K（=vb/vp），从vb求取vp，vp=vb/K，系数K不是常数，随雷诺数而变。图1所示是光滑管中K与Re的关系线[1]。开始流动是层流，流速增加到达2300时为层流区，层流区K为常数， 从2300增加到4000，流动从层流转向紊流，K从0.75增加到0.93为过渡区，且转换是随机性的，很不稳定。Re超过4000K按经验公式K=1/（1.119-0.011LogRe）增加，Re从104增加到106时，从0.93增加到0.95，变化约2.2%。这一变化某些型号仪表具有补偿功能。使用时要避开Re=2300~4000的过渡区。

      若进入TTUF的流动状态被上游扰流件所畸变，上述系数就不能再用，要按扰动类型引入额外的误差。上游流态畸变流经一定长度直管可恢复到充分发展流态。制造厂常规定上游10D、下游5D长度直管要求，以减缓上游扰动影响。虽然对下游5D的要求还合适，上游10D就过于乐观了。Hojolt的实验表明上述要求明显不足，图2是单声道仪表在若干扰流件下游不同距离的测量误差；表1是仪表增加±2%附加误差时所需离开扰流件下游的距离[4]。

表1 附加误差小于±2%时所需与扰动源的距离 

扰动源类型

直管长/内径倍数

渐缩锥管

4

渐扩锥管

18

单90°弯管

30

U布置双90°弯管

22

垂直平面双90°弯管

47

蝶阀，2/3开度

18

球阀，2/3开度

15

闸阀，2/3开度

20

图2 处于各扰动源下游的误差

      3 管道工程

      外夹装TTUF的管道需要考虑管内径准确尺寸、管壁厚度和粗糙度、管材质、衬里和涂层等方面。

      ① 管道和衬里的尺寸和材质虽有制造厂声称外夹装TTUF曾用于管径大到6000mm小到8mm，但通常认为管径不能过小，应大于50mm。制造厂大都对管壁厚度上限不作规定，但国外有某制造厂厚度上限规定为25mm。小管径、管壁过厚将会引入值得注意的误差。Baker则认为管径D和管壁厚t的比D/t应大于15，D/t≥10还可以接受，D/t<10因超声沿管壁传送可能出现问题，低的D/t值可能增加不确定度到±10%[2]。

      综合各制造厂称外夹装TTUF曾使用良好的管材有铸铁，碳钢、不锈钢、铜、铝，哈氏合金，石棉，混凝土，玻璃钢，PVC、PP、ABS、PTEF等工程塑料等。但使用者的经验表明，有些制造厂的TTUF适用于其中若干种材质，而另一些制造厂则不能。铸铁有疏松或细孔会减超声；混凝土或水泥管可能会产生问题，但如被充分浸润有时却可较好地工作；还有经历过不锈钢和玻璃钢传输足够信号困难的案例。

      若涂层或衬里与管壁粘结处存在气隙，将阻碍有效超声传输而无法工作。需要准确测量涂层或衬里厚度，要知道它们的传播声速。有些型号仪表因已录写入声速，只要输入材质名称即可。

      ② 管内壁粗糙度管内壁粗糙度对流量测量带来四方面影响，即粗糙度对流速转换系数，超声波散射，声波反射次数和估算管壁厚度的影响。

      充分发展流速分布受制于管壁粗糙度k，而流速分布影响流速转换系数，也就影响了流量值。图3所示是一组不同相对粗糙度k/D（D为内径）下的K-Re关系线。从图3中可以看到很粗糙的内壁（如碳钢、铸铁管锈蚀疤疖），可能带来4%的误差。

      管内壁愈粗糙超声散射愈严重，作为通则较粗糙的内壁采用较低的超声波频率。此外粗糙度高在声道布置上还限制反射次数，例如较小管径常采用多次反射（即W法），若相对粗糙度较大、散射严重而无法工作，只能改试一次反射（即V法），甚至放弃反射法改用直射（即Z法）。

      要知道管材的超声波传播性能。为求取准确换能器安装间距，需要获得超声在管材中的声速和管道尺寸。仪表产品说明书一般附有若干管材的公称声速数据，但实际声速随着成份（如不锈钢1GrB为2990m/s，0Cr17 12Mo2为3175m/s）、状态（如铜退火为2325m/s，冷轧为2270m/s）、压力或应力、温度而异。若不能确悉声速。可用超声厚度计在同一材料已知厚度件上测定。

      4 流体因素

      ① 液体密度和粘度的影响图1中讨论到不同段的系数，而忍又是流速、液体粘度和密度、管道尺寸的函数，因此与粘度、密度有关，应用时要核对是否已避开过渡区。特别在测量小管径高粘度液体时更应关注。

      ② 液体声速使用外夹装刑TTU在初装调试阶段要由用户输入液体声速，作为设置换能器间隔距离的一个步骤。按照不同仪表设计类型，有些以此声速定义仪表的流量公式，有些从传播时间估算新的声速。后一功能可补偿受液体温度影响引起的变化。要仪表正确地运行，换能器间距和声速的准确性是十分重要的。有时液体的确切声速不清楚，可请制造厂测定。

      ③ 气泡和颗粒的影响气泡使超声散射，同时因液体含气泡后会产生压缩性而影响在液体中的声速。气泡还使仪表的信号衰减和信噪比下降，散射和衰减程度取决于气泡含量、尺寸和分布。某制造厂提供典型能继续工作的气体含量为<10% ，然而对气泡尺寸一般未规定。颗粒会散射超声，过去普遍认为颗粒含量应小于1%①，但随着检测技术的提高，有些型号仪表含量允许高达≤4%0。低密度颗粒的粒子直径小于λ/8（λ=声波长度），对仪表几乎没有影响。

      ④ 高衰减液体的局限通常高粘度液体伴随着高幅度的超声衰减。例如20℃ 水（运动粘度1.003×10-6m2/s）在1MHz时压力波衰减0.22dB/m，而运动粘度为1.1×10-2m2/s的蓖麻油在1MHz时衰减高达95dB/m。高粘度液体的衰减可能导致妨碍仪表正确运行。这一故障现象通常会被仪表电子部分检测出来。粘度衰减程度通常是声波频率的函数，降低仪表工作频率有时可使之正常工作。

      制造厂曾有应用刑TTUF于某些高粘度液体失败的经历，例如高浓度磷酸，30%以上氢氧化钠，原油、蓖麻油、漆等。

      5 操作运行

      ① 声波在液体中传送方式和换能器布置  外夹装刑F的声波在液体中传送方式有三种，即直接透射（Z法）、一次反射（V法）和多次反射（W法）。三种方法中主要使用Z法和V法，较少使用W 法。Z法用于大管径，声程比其它方法短，信号损失小，然而正确安装、测量换能器间距和准直较为困难；V法声程较，可得较佳时间分辨能力，受旋转流影响小，两换能器安装在管道同侧，定位准直和测量间距容易准确；W法用于小管径以增加声程。

      在水平管道上换能器最好装在管道截面积“3或9点钟”的位置，这样可避免安装“12或6点钟”位置时液中气泡集源于顶部，颗粒沉于底部流动给测量带来影响。

      ② 换能器定位  定位方法按换能器设计和声波传送方法而定。大部分换能器用如钢带（丝）等锁紧机构定位，安装于测量好的相隔距离位置。制造厂还常提供“校准轨道”，以帮助测量距离和定位。

      如置于预定位置却没有信号，有些制造厂建议实施称作“扫描”的操作步骤。移动两换能器相对位置直到找到信号，或信号从弱变强。两换能器开始相距远一些，然后相向渐渐靠近的方法，较之开始相距较近再相背远离扫描为佳。如果通过扫描才有信号，说明管直径、壁厚、材料和液体的参数等可能设定有误，从而原定位置找不到，因为“正确位置”只有一个。

      ③ 从安装调试获悉流动状态  流速分布畸变的流动和旋转流很大程度上干扰测量准确度。应按上文所述要求，仪表与上下游扰动源相隔相当距离。不管怎样，采用下述一些方法可获悉大体流动状态，取得最佳效果。

      沿着管圆周移动两换能器，核对所测得不同位置的流速，最大流速可能是最接近实际的平均流速，因为在最不对称位置时的平均流速读数最低。这是所有发表实验报告论据所建议的评估方法。从不同位置所测得流速还可估量不对称流速分布的状况和不对称程度。

      比较Z法和V法各自测得的流速，如果两者相差很大，表明存在严重横向流动，也就是有旋转流的迹象。应给予注意。

      ④ 耦合剂和管表面处理  耦合剂使超声在换能器和管壁接触表面有可靠的传输。长期（固定）安装和短期（移动）安装应用不同的耦合剂。长期应用型耦合剂基本上是阿拉提胶（Araldites）和不加填料的环氧树脂（填料会散射超声）。永久性固定安装耦合剂需定期检查，检查周期按其类型由供应商规定，也可用有诊断功能的TTUF本身检查何时应予调换。

      短期应用型耦合剂有硅脂、车轴脂等，要保证它们不干枯，推荐挤出3~4mm厚约5mm直径耦合剂沿着换能器然后压向管壁。

      在处置耦合剂前还应作好下述预处理措施和注意事项：

      a 安装换能器区的管外壁要始终清洁、无油脂，若有涂层等覆盖层必须去除之，特别对含有纤维和金属网的覆盖层。

      处理管壁时要保持管道原有圆周线轮廓。因为要保持换能器表面和管道轴平行，因为1°角度误差可能改变1%~2%的声程长度。

      b 不要应用过量耦合剂，必须十分小心以防止过度铺开和混合耦合剂时进入空气。多粉尘多絮状物环境下要十分注意防止其混入，因粉尘和絮状物会减小耦合作用，且易使耦合剂干枯。

      c 如管壁有凹坑，用足量耦合剂填满之，形成完整的声路。若是塑料管，略为打毛表面以保证环氧树脂等耦合剂粘附。

      ⑤ 液体温度  液体温度会有几方面的影响，即影响在液体中的声速，液体密度和粘度，以及由这些而影响雷诺数和流速分布。若流程中液体温度预期是有变化的，仪表应具备补偿功能。此外，液体温度也左右着耦合剂的选择。低温和高温还要选用专用换能器，温度增加会降低某些保护压电晶体封装材料的声透射性。温度过高将降低压电晶体的有效性甚至停止工作。有能用于测量-190~+500℃ 的专用换能器，但标准换能器的典型温度范围为-40~+100℃。有些高温用换能器采取装在经金属耦合体接续的长缓冲棒末端。

      要注意不同温度条件下耦合剂的选择和应用，非正常运行条件要向耦合剂供应者咨询。水基耦合剂在高温下将被蒸发，在低温下被冰冻和改变性能；油基耦合剂在高温下将会流淌，在低温下有些耦合剂会改变性能。

      ⑥ 管道尺寸和发射频率所有型号夹装式TTUF可用多种规格换能器，以支持宽范围管道尺寸。频率1MHz换能器是标准型号，适用管径范围50~2000mm；2MHz用于小于100mm到10mm较小管径；0.5MHz用于约为500~5000mm管径。

      一般地说流体中含有气泡或颗粒建议采用较低频率；同样，若声波穿透管壁存在困难也是趋向于采用较低频率。

      ⑦ 管内径和壁厚测量  前文提到管内径的重要性，管内径测量的不确定度是流量测量不确定度的主要组成部分。通常测量管内径的步骤为：

      管壁除用作计算内径外，还与管材质一起计算换能器定位位置，因此还影响声程声速测量。壁厚可以多种途径获悉：a从设计图纸或管规格获悉，此法最方便但很不准确。因为管名义尺寸有相当幅度公差范围，例如，DN200~DN500热轨无缝钢管，用名义壁厚计算流通面积有可能与实际相差±（1~1.25）% ；b用超声测厚仪实测壁厚，但本办法对有衬里管道则不能辨别厚度是否包括衬里层，若测厚仪是能反应出有差别的反射，则对熟练操作者在辨别上可能有些帮助；c钻小孔插入厚度规或直接直径测量仪。

      6 仪表性能规范

      仪表性能规范方面主要是要向制造厂了解拟用TTUF是否有雷诺数修正和声速修正，有哪些诊断功能。

      ① 雷诺数修正如图1所示系数随而变，有些型号具有修正功能而有些没有。修正是基于对特定被测液体特性和工况条件的了解。若液体在测量过程中温度有显著变化，就必须要具备在线修正功能。应向制造厂询问或查阅产品样本、使用说明书，拟用仪表是否有本功能。

      ② 声速修正所有型号外夹装TTUF要求用户在初始设置阶段输入声速或液体名称及其温度，作为计算两换能器间隔距离的一个步骤。有些型号仪表在以后测量过程中继续利用此数据，而另一些则另行“在线”测量工作条件下在液体中的声速。若被测液体在运行过程中温度变动具有不容忽视的声速影响，应向制造厂询问是否具备声速修正功能，采用什么方法。
     
      ③ 诊断功能几乎所有型号TTUF均有换能器接收信号强度指示，信号强度再结合自动增益控制以补偿声波在管壁和液体中的衰减。当换能器间距显露出不正确状态时，信号强度指示还可帮助扫描寻找正确位置。

      另一诊断功能是利用测量相位时，测量接收信号的信噪比，给出可信的测量品质指示。

      大部分仪表测量系统是基于微处理器组成的，仪表均有各种各样诊断硬件和软件的功能。这些功能因型号而异，应向潜在供应商询问功能范围。

      参考文献

      [1]  Sanderson M 1，Yeung H.Guideline for the use of ultrasonic Non-inva.sive metering techniques I J J.Flow Measurement and Instrumentation，2002（13）：125-142
      [2]  Baker R C.Flowmeasurement hard book，Chapter13 Ultrasonic Flowmeters[M].Cambridge University Press，2000：329
      [3] 蔡武昌，孙准清，纪纲.流量测量方法和仪表的选用，第10章超声流量计[M].北京：化学工业出版社，2001
      [4]  Hojolt P.Installation efects ON singleand dual beam ultrasonic flowmeters[A].Proc.hat.Conf.on Flow Measurement in Mid 80S[C].NEL，Glasgow，UK，1986

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