超声波流量计

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超声波流量计范文第1篇

和传统的机械、电磁式的测量流量的仪表相对比，超声波流量计主要具有以下优点：一是作为一种非接触式的仪表，超声波流量计能够在管道外部测量，它完全没有压力的损失，也不会流体流动的状态的改变，对原有的管道不需要进行任何的加工就可以测量。二是超声波流量计输出信号和被测的流体的流量为线性的关系。三是测量的结果不会受到被测的流体黏度及电导率等影响，可以用来测量非导电性的液体或者气体。四是对大口径、大流量的测量，它的测量成本基本和管径大小没有任何关系，能够实现能耗的节约，而不象其它类型的流量计管径增大、成本会大幅度地增加。五是它更能适合所处条件较恶劣的被测流体，由于检测不需要接触，从而带来很大便利和好处。它的缺点主要表现在，对于外夹式的超声波流量计，检测元件的维修和更换较为方便，不用断流，也不会影响生产运行，可是，由于其在管道外进行测量，声道的数量比较少，因此精度比管道嵌入式的低；而对于管道嵌入式的超声波流量计，一方面维修与更换会较为麻烦，另一方面由于有三、四声道和更多声道的产品，其精度会很高。还有，由于超声波流量计的安装对前后的直管段要求上有很大的限制，从而产生较高的造价和运输成本。

2超声波流量计选型的注意事项

超声波流量计选型工作较为复杂，关注的内容包括：被测的介质类别、仪表的性能和参数、换能器的类型、功能及适用的范围、声道的设置、前后的直管段长度的要求等等。选型应当注意以下几个方面：一是要了解被测对象的现场情况和物理的特性；二是其信号的处理单元必须适合户外、爆炸、危险性等类型的场所进行安装，防爆和防护的等级必须符合现场的要求。二是换能器的前后应有一定长度的直管段，从而确保流体流速的分布，通过要求前面的直管段在10D以上，而后面的直管段就在5D以上，并且其上游30D之内，不可以安装阀、泵等扰动设备。三是换能器要安装于倾斜及水平的管道上的时候，不能装于上部或者底部，避免管道中的气体或者杂质进到测量的声道当中。四是换能器安装必须使超声波的传播路径经过管道的中心。四是要区分被测对象进行选型，气体用的换能器频率一般在100至300KHz，而液体用的换能器频率一般为1至5MHz。

3超声波流量计在石化行业计量中的应用

3.1用时差法超声波流量计来测量成品油超声波流量计可以进行多声道进行测量；能通过报警功能和智能检定软件诊断来监测其运行的状态；能对各声道自动增益进行调节；能够测量出各声道流速的分布、进行第一声道声速的计算，从而校正旋涡流、横向流及不对称流；在被测的液体密度和粘度发生变化的时候，能通过声速的测量来反推油品密度和粘度，从而利用超声波流量计替替代密度计，解决处理混油段技术。

3.2标准体积管实流标定超声波流量技术双向标准体积管属于标准容积式的机械设备类型，在U型的标准管段的进口和出口装着检测开关两（或四）个，排液球或活塞一个。触动首个检测开关，排液球进到标准段；排液球触动第二个检测开关，则离开了标准段。超声波流量计进行测量的原理说明，其脉冲与真实的流速（或流量）会有固定的延时。然而管道中流体的扰动很复杂，会包括多次扰动的涡流及非轴向的速度成分。超声波流量计沿一或多个采样的声道，通过发射器与接收器的正反向的时差，可以检测、推导、计算出流体的流速。

4结语

超声波流量计范文第2篇

关键词：液体超声波流量计；标定方法；贸易交接；中海油的应用

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2013）21019102

1概述

近年来，随着液体超声波流量计计量与测量技术的不断发展，使得液体超声波流量计在流量计量与测量的领域有着广阔的应用前景，并且在很多应用工况中，逐步代替传统的容积式流量计和涡轮流量计，成为贸易交接和过程测量的新宠。美国Emerson公司的Daniel产品，德国Krohne，法国Faure Herman，美国Cameron等公司生产的多声道管段式液体超声波流量计已在国内外的成品油和原油的交接计量站中有多次成功的应用，例如，在中海油的渤中LVDA27-2作业区，中海油伊拉克米桑油田区块外输计量，中海油-新田石油合作平台LF7-2的外输计量撬中均已成功投用。从技术的角度出发，由于多声道管道式液体超声波流量计在大口径管道，大流量计计量中有着突出的优势，无附加压力损失，无可移动部件的构造及完善的自诊断功能，便利的在线维护性的优势都超过了传统的容积式流量计和涡轮流量计，并有着较其他液体流量计更宽的量程比，所以逐步成为应用于液体烃贸易交接的计量仪表。

2液体超声波流量计工作原理及检定难点

液体超声波流量计的测量原理是根据时差法，即当超声波在介质中传播时，会带上流体的信息，即使往返的声波信号的传播时间产生微小的变化，时间的变化正比于流速。多声道液体超声波流量计是通过测量不同声道上的传播时间差来时间测量与计算的。

根据API 5.8章节中可知，超声波流量计不同于传统的容积式流量计和涡轮流量计，其是靠电子芯片间接测量而对外发出计算脉冲的，此即为人工“制造”出与流量相关的脉冲（频率），由于流量脉冲和串行信号是通过计算获得，因此输出信号会落后于流体的特性，而且经过数据转换的处理，脉冲信号很可能落后于串行数据的信号。

超声波流量计在其内部几条声道上进行高频率的时间差测量，由于流体流动存在的不稳定性，任何微小的流量扰动和脉动都会被流量计所检测到，从而导致流量计产生不均匀的脉冲输出（如图1），而这些信息是其他传统的机械性流量计而反应不出来的。

而活塞式体积管由于最大尺寸的容积仍远小于API的容积推荐值，另外还有活塞式体积管在运行过程中的发射和回收可以引起流量的明显扰动，因此活塞式体积管不能直接用于标定液体超声波流量计。

综上所述，由于超声波流量计本身的原理及特点存在不均匀的脉冲输出，所以导致标定的体积管容积值巨大，大型的体积管在制造，使用，运输安装方面存在很多不便之处，尤其是海洋石油受平台及油轮上空间及重量的局限性，都严重制约着超声波流量计在中海油的发展及应用。

3液体超声波流量计的检定

由上所述，根据API标准可用球形体积管根据规范推荐的容积来选择直接标定液体超声波流量计。但是由于海上条件的限制，不是每个项目及应用都有足够的空间来满足球形体积管，所以要在中海油的业务中寻求更新和发展，必须要有办法来解决这个问题。

目前国际上的应用证明等精度传递理论即“活塞式体积管+标准流量计法”可以解决超声波流量计需要体积管容积大的问题，标准流量计考虑到量程范围，推荐用涡轮流量计。

在流量计量领域中有等精度传递理论，及流量量值传递时只需要满足计量学相关性基本原则，流量计在使用时和检定时流量点相同，介质相同和使用介质的物理特性相同，流量计检定和使用时几何特性相同，流量计在检定和使用过程中的操作过程相同，那么流量基准所复现的流量单位制将会等同精度传递给工作流量计。

“小容积体积管+标准流量计法”的检定方法为：

（1）先利用活塞体积管检定作为中间传递的标准流量计，在规定的流量点下，逐点进行多次重复测量（测量次数不少于5次），再进行温度，压力修正后，计算出标准表在每个检定点下的平均仪表系数和对应的重复性。标准流量计检定得到的重复性已优于0.02%为宜。

（2）在相同的检定流量计和检定条件下，在规定的时间段和规定的标准表脉冲数（通常大于10000个）内同时记录标准表流量计和超声波流量计的脉冲数以及当时各处的温度，压力数据，此时体积管停止运行。

（3）通过标准表的脉冲数及仪表系数及当时的温度，压力，计算出流过标准表的流体体积。

（4）通过标准表的流体体积及超声波流量计处的温度，压力可以得出超声波流量计在每一个检定点下的平均仪表系数和对应的重复性。

目前“小容积体积管+标准流量计法”是液体超声波流量计的主要检定方法，国外主要的技术机构都采用本方法，并且主流的流量计算机，例如S600+，OMNI等都在控制程序中都支持该检定方法。

小容积体积管+标准流量计的检定方法符合JJG1030-2007超声波流量计检定规程中关于现场在线检定的技术要求，可以对使用中的超声波流量计的进行检定和检验。

4液体超声波流量计在中海油贸易交接的应用

中海石油旅大32-2/27-2油田项目中第一次应用液体超声波流量计作为贸易交接的应用。该油田在其旅大32-2PSP平台上配备了两套美国艾默生公司Daniel液体超声波流量计，采用一台18in活塞式体积管（容积值约120L）及一台涡轮流量计为标准表。应用本文提出的方法进行标定后得到新的流量计系数。外输作业结束后，通过对比流量计及油罐的数据得到较好的一致性，两者之间偏差小于0.02%。目前该项目已经投用两年多，得到客户的肯定和好评。

随后中海油伊拉克项目采用了三套DN150的液体超声波流量计，同样配用18in活塞式体积管及一台涡轮流量计为标准表，目前已经为中海油与伊拉克油田方提供贸易计量的服务。

此外，液体超声波流量计+球形体积管方式应用于中海石油-新田石油合作平台LF7-2原油的外输计量中。

对于中海油近五年来首个FPSO，恩平油田群24-2船，已经确认为液体超声波流量计（三用一备DN250）+球形体积管（30寸双相球形体积管）的外输计量方案。2014年将投产使用。

5结论

作为贸易计量仪表，准确性，重复性是流量计的重要参数指标，为了保证液体超声波流量计的这些指标，就应该遵守计量法规的可行的在线检定技术和方法。贸易计量仪表的标定是流量量值传递及溯源连中最重要的环节，国家计量检定方法对流量计的发展及应用有着重大的意义和推进作用。超声波流量计计量液态烃发展较晚，相对其他传统的流量计而言，国际上相应的标准也较少。美国石油协会API于2002年10月制定的采用时差法超声波流量计测量液态烃的技术标准草案，2005年1月转为正式标准API MPMS 5.8：2005《用时差法超声波流量计计量液态烃》.我国没有液体超声波流量计计量液态烃的专项规范标准，仅在2007年了用于检定超声波流量计的检定规程《JJG1030-2007超声波流量计的检定规程》，该规程是一个通用的标准，尤侧重于气体超声波流量计的检定，对计量液体超声波流量计的标定的特殊性没有涉及。

随着技术的更新发展和计量规范的完善，管段式液体超声波流量计将会在中海油的测量和计量中扮演着更重要的角色。其量程比及压损的优势，完善的电子诊断功能及低成本的维护，将为中海油低碳绿色业务的拓展提供更大的支持。

超声波流量计范文第3篇

关键词：超声波流量计；特点；安装；故障

引言

超声波流量计是一种可以利用非接触的方法来测量流体流量的仪表。它既可以测量其他仪表不能检测的非导电介质、放射性、易爆和强腐蚀介质的流量，也可以用于不易观察和直接接触的介质流量的测量。它的测量准确度较高，可以不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决测量大管径的液体流量问题。因此超声波流量计被广泛应用于环保、油田、水务公司、冶金、发电等行业，而熟悉和掌握超声波流量计的安装及常见故障问题处理是解决流量测量准确这一问题的关键所在。

1 超声波流量计的测量原理

超声波流量计是通过测量流体流动对超声波产生的信号影响来对流体流量进行测量，其测量原理是利用“时差法”来测量的。

而时差法的测量原理为：一个超声波探头发射声波信号穿过流体介质、管壁到另一侧的管壁后，被管壁的另一忍酵方邮盏叫藕牛与此同时，第二个探头也发射声波信号被前一个探头接收到，由于受到流体介质间流速的影响，两者之间存在一定的时间差Δt，根据公式推算出时间差Δt和流速V之间的转换关系V=（C2/2L）×Δt，进而可以得到相关的管道内的流量值Q。

2 超声波流量计的特点

2.1 使用面广

在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量。超声波流量计也可用于气体流量测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到河流都可适用。多普勒法超声波流量计可测量双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。

2.2 价格适中

因各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，流量仪表成本基本上与被测管道口径大小无关。从而比起其他类型的流量计，超声波流量计随着口径增大造价大幅度减少，所以，口径越大，优点越显著。另外一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，从而抬高成本和造价，而超声波流量计在成本和造价方面均可避免。

2.3 维修和安装方便

安装时不需要阀门，法兰、旁通管路等，无论是安装还是维修，都不需要切断流体，不会影响管道内流体的正常流通。因此，维修和安装方便。

2.4 解决测量各种介质流量的难题

超声波流量测量的准确度几乎不受被测流体温度、密度、压力和粘度等参数的影响。由于超声波流量计是非接触式流量仪表，所以，除了用于测量水、石油等一般介质外，还能对非导电介质、放射性、易爆和强腐蚀介质进行流量测量。

3 超声波流量计探头的分类及主要安装方法

3.1 超声波流量计探头的种类

常用的超声波流量计探头按安装方式有如下三种：

（1）管段式探头，安装时需要切开选定的直管段，采用法兰连接。产品已经过生产厂家标定，好处是探头可以在使用企业不用停产的情况下进行维修，其特点是测量的准确度高。（2）插入式探头，安装时需用钻孔工具在使用企业不停产状态下将探头插入管线中。特点是能在水中带气体或水管内壁结垢情况下实现准确可靠的测量。（3）外夹式探头，安装时需将管外壁的预安装位置用打磨工具打磨光滑后用耦合剂将探头贴于管外壁再用专用夹紧装置固定。此类方法能方便地在管壁外进行水流量测量，也适合便携式流量计。不好的地方是易造成耦合剂的处理不当引起信号接收状态异常而影响测量的准确性和可靠性。

3.2 超声波流量计探头的安装方法

超声波流量计传感器的安装方法直接关系到水流量测量的运行可靠性、可信度和准确性。

超声波流量计探头的安装位置一般选择两个探头管轴在与管轴水平面成45度夹角处或管道的管轴水平方向上。

超声波流量计探头的安装方法有Z、V、N、W方法。其中N、W方法适用于管径为50mm以下的管道，因性价比和使用难度原因而被很少用到。常用方法主要有两种：（1）“Z”方法安装，“Z”方法安装一般适用于水介质较差不洁净、输水管道管径较大、管道内壁有水垢或使用“V”方法安装信号失真较严重的情况。一般“Z”方法安装的可测管径范围通常在100mm～600mm，300mm以上管径的管道选用“Z”方法安装较适合。安装探头时须注意管道轴线与上下游两探头在同一平面内，且上游探头在高位，下游探头在低位。（2）“V”方法安装，“V”方法安装是标准的安装方法，可测量外管径范围为25mm～400mm。安装探头时须注意上下游两探头水平方向对齐，使其管道轴线与中心连线水平一致。

3.3 超声波流量计探头安装的后续检查

（1）通过流量计表头核查上下游端探头的信号质量和信号强度是否满足要求，判断探头能否接收到流量计表头工作所需的超声波信号。（2）主要检查安装位置与探头需要的间距是否合适。（3）与管道外壁结合面的接触是否光滑，结合是否紧密。

4 超声波流量计使用中的常见故障与处理方法

4.1 故障表现：外夹式超声波流量计探头的信号过低

（1）故障分析：输水的管道结垢较厚、管道外径过大超过允许范围、管道中介质不满管或探头选用的安装方法不合适。（2）处理方法：管道结垢较厚可选用插入式的探头安装，对于外管径过大和管道中介质不满管可以重新选择探头的安装方法。

4.2 故障表现：流量计仪表在安装现场的强磁场干扰下无法正常使用

（1）故障分析：有可能是探头周围有强磁场干扰、有大功率变频器、接地线的安装不合适或流量计的供电电源波动较大。（2）处理方法：将流量仪表安装在远离强磁场和大功率变频器的场地，将流量计表头正确方法接地，给流量计换装稳定的电源供电。

4.3 故障表现：流量计的瞬时流量数据波动较大

（1）故障分析：可能由于探头的安装位置和管道内气体的影响使信号强度波动较大，从而使流量数据波动较大。（2）处理方法：首先重新调整探头的角度和位置，使管道轴线与上下游两探头在同一平面内，其次保证探头的安装间距准确无误。如管道内有气体影响管道内本身流体波动大，也可以重新选择探头的安装位置，但是要确保探头安装前10D后5D的安装要求。

4.4 故障表现：插入式探头在使用一段时间后出现主机信号降低现象

（1）故障分析：可能管道内或者探头表面产生水垢、探头安装位置改变或者发生偏移、探头长时间日晒导致信号衰减。（2）处理方法：重新安装和调整流量计探头的位置，清洁探头和管壁上的水垢，若探头信号已经衰减可重新更换新的探头。

4.5 故障表现：流量计在开机的情况下无法显示数据

（1）故障分析：流量计表头的保险丝已经烧断或者使用方提供的电源与流量仪表所需要的额定值不符。（2）处理方法：在仪表上检查保险丝是否已经烧断，并检查使用方提供的电源参数是否与流量仪表所规定的额定值相符合。

4.6 故障表现：流量仪表开机后只有背光显示却无任何数据显示

（1）故障分析：此类情况一般为流量仪表本身的内部程序芯片异常所致。（2）处理方法：联系流量计生产厂家现场检查故障并处理，如无法现场修理则需寄回厂家检查并维修。

参考文献

超声波流量计范文第4篇

[关键词]测量；超声波流量计；应用

中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0016-01

1 引言

近些年随着数字技术、电子技术的发展，根据不同原理、不同构造，可以应用于不同工业生产的超声波流量计已经出现，这些超声波流量计具有安装简便、运行过程比较稳定，在工业生产中常用超声波流量计测量流量。

2 超声波流量计的测量原理及特点

超声波流量计是一种非接触式的测量仪表，适用于测量不容易接触的流体和大管径的流量。超声波流量计是由电子线路、超声波换能器、流量显示和累积系统三部分组成。超声波换能器是将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测的流体中，接收器所接到的超声波信号，通过电子线路进行放大，将转换的表示流量的电信号，提供给流量显示和累积仪表进行显示和计算，通过上述原理来实现流量的测量。

超声波流量计的测量方法有多普勒效应法、传播速度差法、波束偏移法等。多普勒效应法的测量原理是运用声波中的多普勒效应，来测量得到逆流和顺流的频率差而得出的流体的流速，最终得出流量。传播速度差法的测量原理是测量超声波脉冲的逆流和顺流的速度差而得出的流体的流速，最终得出流量。波束偏移法的测量原理是通过运用超声波波束垂直于流体流动的方向进行入射时，因为流体的流动导致超声波波束发生偏移的情况，从而通过偏移量的大小来计算被测流体的流速。

超声波流量计的特点主要有以下几个方面：

（1）需要测量的液体只要能够传播声波，就可以在管道外面对其测量，这种测量方法不用对管道进行改动、可以不用直接接触被测流体、没有压力损失、不受流体磨损和腐蚀的影响。

（2）能够直接测出被测流体的累积流量以及瞬时流量。

（3）构造简单，安装、维护比较方便。

（4）可测范围广，可以测量同一台仪表的不同口径的管道流量，灵敏度高，能够测量流速的微小改变。

（5）不仅能够测量流量以及流速，还可以对流体的其他参数如浓度、成分等进行测量。

3 超声波流量计的安装维护及应用

由于超声波流量计安装简便、可测范围广、在使用中比较稳定等优点，其应用可以延伸到工业、农业、水电、水利等部门，可以较准确的测量流量，应用范围广。

2.1 超声波流量计的分类

（1）多普勒式超声波流量计

多普勒式超声波流量计适用于测量能够反射超声波信号的气泡或者颗粒的流体，一般可测量未处理过的污水、工厂的排放液等。超声波流量计对于被测介质一般要求杂质含量相对稳定的，才可以测量。而且不同厂家的仪表性能对于被测介质的要求也是不同的。

（2）时差法超声波流量计

时差法超声波流量计是目前应用最为广泛的超声波流量计，它一般被用来测量比较干净的液体流量，常用在工业用水和自来水厂。

（3）管道式超声波流量计

管道式超声波流量计它的测量精度是最高的，而且不受管道衬里和材质的限制，一般适用在对于流量测量精度要求很高的场合。管道式超声波流量计的缺点是在安装过程中，一定要切断管道，而且当管径增大时，其成本也在增加。一般情况下，都采用中小口径的管道式超声波流量计，比较经济实用。

2.2 超声波流量计的安装

超声波流量计的正确安装与合理选型均关系到超声波流量计能否正常测量流量。超声波流量计的换能器位置一般选择在远离管道阀门、弯头的位置，可以选择在垂直管段或者水平管段。在超声波流量计的换能器安装时，尽可能地避免电焊机、变频调速器等可能污染电源的场合。超声波流量计与上、下游直管段的距离十分关键，一般选择上游直管段为10D（D表示管道直径），下游直管段为 5D。

超声波流量计的换能器的安装方式有一定的要求，如多普勒效应超声波流量计一般采用对贴式的安装方式，其最合适的位置不能选在管道的上、下游位置，可选择在管道的水平位置。不同的安装方式，超声波流量计的换能器的信号强度是不同的，其测量的稳定性也是不一样的。

2.3 超声波流量计的维护

超声波流量计的维护工作相比于其他类型的流量计，维护的工作量要少一些，一般超声波流量计的维护主要是定期进行现场的巡检，查看超声波流量计的换能器是否有松动，与管道之间是否是粘合的良好。对于管道式的超声波流量计，一般要查看管道与超声波流量计之间的法兰有没有连接好，在作业现场的腐蚀性气体、温度等对电子元件的影响。对于插入式的超声波流量计，要注意定期清洁探头上所沉积的水垢、杂质等，而且还要检查在密封口处有没有泄漏的现象。对于外贴式的超声波流量计，要查看换能器是否松动，钢带连接有没有紧固，以及与管道之间的粘合剂是否是良好的。

4 结语

采用超声波流量计测量流量，具有实时性好、测量的精确度高等特点。随着超声波流量计的应用越来越广泛，为工业现场的流量的测量提供了很大的方便，超声波流量计在工业生产和计量方面都发挥着重要的作用。

参考文献

[1]方卫东.仪表安装与维修[M].北京：化学工业出版社，2000.

超声波流量计范文第5篇

关键词： 流体力学； 整流； 立柱型； 喇叭口； 长径比

中图分类号： TN02?34； TH702 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）23?0124?05

Design of ultrasonic heat meter based on water flow characteristic improvement

LI Shiguang， JIA Junzheng， GAO Zhengzhong， TAN Chong， LI Kaixuan

（Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： Since the water flow distribution in base table is a key problem to affect on the flow measurement accuracy， the hydromechanics knowledge combined with the numerical simulation analysis is adopted to design an ultrasonic heat meter based on the water flow characteristic improvement. By analyzing the internal flow field of the DN25?type base table， a cone rectifier is installed on the center line of the water inlet and the reflection unit of smooth pillar type is adopted to facilitate the shunting and avoid the jet flow production. A ″flared″ diversion kerb configuration is added to the front end of the measuring channel and the length?diameter ratio is increased to benefit to the entire flow improvement and improve the total fluxion development. The deviation curve graphs before and after optimizing are compared by the simulation of Matlab software. The results prove that the stability and precision of the designed heat meter are improved， and the meter meets the expected requirements and has a broad market prospect.

Keywords： hydromechanics； rectification； pillar type； flared type； length?diameter ratio

0 引 言

我国北方采暖地区70%以上的民用建筑采用集中供热方式采暖[1]，供热计量改革后采用“分户供暖，分户计量”的采暖计费制度代替过去按平方面积收费不合理的制度。用于测量、计算和显示热交换系统所释放或吸收热量值仪表的热量表，根据流量传感器的测量原理分为机械式、超声波式和电磁式。其中，超声波热量表由于对热介质要求较低、稳定性好和精度高等特点，在分户供暖计量的热量表市场中越来越受欢迎。

目前超声波热量表发展快，应用广泛，它可应用于含铁锈等杂质的热交换系统中，符合供暖行业的现状。通过数值模拟分析基表内水流特性，对基表进行优化设计，得到高精度、低功耗的超声波热量表。

1 超声波热量表的工作原理

1.1 热量表的热量计量数学模型

超声波热量表是在超声波流量计的基础上，在供、回水管道端口处加上温度传感器测量温度，通过测出管道内流体的流量和进、出水的温差计算出用户使用的热量。其中流量测量部分利用一对配对的超声波换能器相互交替（或同时）收发超声波信号，通过德国ACAM公司的计时芯片TDC?GP22测量出超声波信号在流体中顺水流和逆水流的传播时间差来测量管道中的流体流速，流体流量间接通过流速计算得出。流体经过热交换系统时根据时差法测量的流体流量、管道的进出水温度和流体经过的时间，通过MSP430 MCU的计算就得到供用户实际使用的热量[2]。

目前，国内热量表普遍采用热焓值法，热焓值的计算公式[3]为：

2 水流特性的分析

实际流体都是有粘性的，故又称为粘性流体。流体流经管道内壁面时，紧贴管道内壁面的流体质点将粘附在壁面上，它们相对壁面的速度为零。粘附在管道壁面上的流体质点受静止壁面的影响，在管道壁面和流体的主流之间则有一个由零过渡到主流速度[v]的流速变化区域。对于流速不均匀的粘性流体，在流动的垂直方向上出现速度梯度[6]。

因此，粘性流体在不同流速下存在不同状态，通常把雷诺数Re作为判别层流和湍流的准则，而且实际工程上一般取临界雷诺数Re=2 000。如图2所示，当Re≤2 000时，流动为层流，分布为旋转抛物面；当Re>2 000时，流动是湍流，分布为对数分布。

2.1 基表内流场的流动特性

利用RNGk?s模型通过FLUENT软件对户用超声波热量表DN25型基表进行数值模拟计算可知，流体流经基表的流动分为三个不同的阶段[7]。

第一阶段：流入流体绕流前端的反射装置后形成两条射流夹死区，并且在其背后形成流动的一段“静水区”。进水端口的入口形态影响两条射流的强度和方向以及静水区的面积大小和稳定性。

第二阶段：两条射流汇合在管道前端时，流体中间比四周流速快，通过在管道内不断地交换能量后，速度逐渐发展均匀平稳。湍流程度和长径比影响着速度发展均匀的快慢。

第三阶段：流体在管道内流动发展后，流经后端的反射装置形成两条射流从管道流出。其受出水口结构的影响。

文献[8]研究了管道过渡区的水流特性，分析了U型反射方式流量计过渡曲面?线平均速度关系的正确性，热量表的修正系数[k]有了理论依据。文献[9]通过LES数值模拟计算，对超声波热量表DN25型基表的反射柱大小、流体过流面积和反射路程等方面进行了研究，数值分析后得出了优化现有基表的方案。文献[10]研究了在湍流继续发展下，根据射线追踪算法将声波信号速度和流体横截面平均速度的不稳定性应用到分析算法中，同时研究了影响管道横截面平均温度和速度的因素。文献[11]研究了带控制片方柱在高雷诺数下非定常态的绕流问题，加装整流片抑制或形成的涡会影响柱体侧面的分离，使方柱阻力系数减小。

目前，对超声波热量表的研究与设计主要集中在基表结构，还有在定常状态下的水流特性的研究，很多重要因素影响着热量表测量的精度[12]，比如基表内的水流特性。根据影响因素对基表进行改进，才能更好地提高测量精度。

经过数值模拟分析，在低流量段适应性最大偏差为4.8%，且整个流量范围的适应性还是很好的，测量误差波动范围较小。实际工程中超声波热量表的常用流量范围为低流量段（0.05～0.5 m3/h），此流量区间的精度是热量表性能重要的衡量指标。流体流速在测量管道内的分布是影响热量表性能好坏的关键因素，很有必要分析流动发展规律。在基表前端直管段与前端阀门后中心线的速度分布如图3所示。

a区为第一阶段，前端有阀门的中心线速度略高，雷诺系数、反射片以及基表结构影响着该处的速度分布，圆滑的反射片区域能提高对于不同入口的热量表的适应性。

b区为第二阶段，进入测管后流体速度迅速发展稳定，有较好的适应性，前端直管段与前端阀处的速度分布偏差较大，该处使热量表性能受到的影响最大。

c区为第三阶段，是出水端反射片附近的速度分布，该阶段主要受第一、二阶段的影响，故可忽略。

在测量管道的前端阀门以及前端直管段处，流体流动很快发展稳定，其速度曲线分布对称性较好，表明基表具有很强的适应能力。

2.2 基表的优化设计方案

根据基表内流场特性分析可知，反射片表面死区和测量管道内区域是影响中心线速度分布的主要因素。其中雷诺系数、反射片和基表结构对反射片死区情况作用最大，而雷诺系数、入口形状和长径比影响着测量管道的速度分布。

研究基表内的流场结构表明，进出水端口平滑可以抑制由于尖锐端口造成管道内流体流动的分离而形成的两条射流，使静水区影响减少；反射片形状平滑且其附近的过渡区域尽可能的圆滑，使流体流动进入测量管段很光滑，有很好的导流作用，提高流动适应性；在测量管道长度不变的情况下尽量缩小管道直径，即增大长径比，有利于使测量管道内的流动迅速稳定发展完全；提高雷诺系数在一定范围内也能使流动发展迅速稳定。

通过实验研究和数值模拟，查阅工程流体力学的相关专业知识，对基表结构进行优化设计。设计了一款增加整流装置并改善结构的基表如图4所示。

（1） 在进水端口安装一个圆锥体结构，圆锥体的底面积正好覆盖住反正片的背面，对不同条件的来流进行分流，紧贴椎壁的流速为零，使椎体与管道壁面之间速度均匀流入，起到很好的整流作用。

（2） 采用立柱型的反射装置，反射片制作工艺尽可能光滑且其背面成圆弧状，避免棱角引起流动分离而产生的射流，反射柱能对两侧汇入的流体起导流作用，反射装置附近空间变大，流体流畅也可防止产生射流。

（3） 根据流体力学的相关知识可知圆柱绕流后的流动会紊乱，前面反射装置的后端增加导流构型“喇叭口”，流动发展平稳渡过，效果很好。

（4） 减小管道直径增大长径比，流体流动能发展完全迅速稳定，提高测量精度。

在其他条件一样的情况下，用Matlab软件做出基表优化前后热量表的偏差曲线，对比图如图5所示。

对比基表优化前后偏差的曲线可知，优化后的热量表在流量所有范围内发展平稳，减小了在低流量段的误差，提高了性能，从而达到了预期的效果。

3 实验数据测量与分析

3.1 功耗测量

本文设计的超声波热量表微处理器采用16位超低功耗的MSP430F4371 MCU，在其低功耗模式3（LPM3）的SFR（特殊功能寄存器）中，各模块允许确定各自功耗控制器工作状态的配置，模块通过使用者的程序定义其活动或停止。MSP430通过用户程序定义的中断来唤醒，接着单片机就会开始工作进入中断程序。热量表在实验室中温度采集为10秒/次（温度不会瞬变），流量采集为1秒/次（流量会瞬变），单片机的工作方式为间歇式，不工作时为睡眠状态。利用FLUKE 15B对热量表在不同状态下进行功耗测试，测量结果如表1所示。

3.2 温度的测量

根据中华人民共和国城镇建设行业标准CJ 128?2007的出厂规定，随机选取5块DN25的热量表，选用精密数字测温仪SPI1602A和恒温槽HWC?R?L进行温度测试。在55 ℃温度点下，将温度传感器放入恒温装置HWC?R?L中进行测量，记录所示温度与标准温度。利用电容充放电法间接测量温度，将标准电阻的系数（标准温度与温度传感器所示温度比值）写入标准电阻，来校正55 ℃温度点。测量的实验数据如图6所示。

3.3 流量的测量

根据行业标准CJ 128?2007，温度保持在55 ℃下，将选取的5块DN25热量表放在热量表检定装置RJZ15?25Z上，分别对5个不同的流量点进行流量测试。测量的实验数据如图7所示。

3.4 校正后的误差

根据热量表的额定流量[Qn，]测量校正后5块DN25热量表在检定装置RJZ15?25Z上5个流量点下各自的误差。实验数据如表2所示。

其中，误差计算公式为：

[E=（测量值-标准值）标准值×100%]

4 结 语

利用流体力学的相关知识结合工程实际经验进行优化设计，从而改善基表内的水流特性提高测量精度，本文设计了一款高精度、低功耗的超声波热量表。在实验测试中取得了较好的测量结果，符合行业标准2级表的要求。该设计系统的测量精度和稳定性都达到了预期的目标，具有广阔的市场前景。

参考文献

[1] 金占勇.北方采暖地区既有居住建筑节能改造经济激励研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[2] 鞠文涛.超声波热量表的设计与研发[D].杭州：浙江大学，2008.

[3] 中华人民共和国建设部.CJ 128?2007 中华人民共和国城镇建设行业标准《热量表》[S].北京：中华人民共和国建设部，2008.

[4] 肖洋.U型反射体超声波热量表流量计量的水动态特性数值分析[D].西安：长安大学，2014.

[5] 邵慧.TDC?GP21在时差法超声波流量计中的应用[J].现代电子技术，2012，35（12）：134?136.

[6] 孔珑.工程流体力学[M].2版.北京：北京水利电力出版社，1992：102?106.

[7] 孙望.超声波热量表内流场特性研究[D].合肥：中国科学技术大学，2014.

[8] 刘永辉.圆管过渡区流速特性的研究[D].济南：山东大学，2011.

[9] 沈芳.DN25户用热量表基表性能的研究[D].济南：山东大学，2011.

[10] IOOSS B， LHUILLIER C， JEANNEAU H. Numerical simulation of transit?time ultrasonic flowmeters： uncertainties due to flow profile and fluid turbulence [J]. Ultrasonics， 2002， 40（9）： 1009?1015.