超聲波流量既適用于大管徑的介質流量的測量，也適用于小管徑的介質流量的測量。它優點在于測量準確度高的同時，幾乎還不受被測介質的各種參數的干擾，另外還可以解決強腐蝕性、非導電性、易燃易爆介質的流量測量不準確問題。雖然超聲波流量計無可動部件，需要的維護相對較少，但是由于超聲波流量計的換能器怕振動、怕雜質及氣泡等影響，因此超聲波流量計在日常運行中還是會出現一些常見問題，近期筆者單位熱網補充水流量計(三聲道)與廠外熱網供水流量計(五聲道)曾出現顯示流量波動大、顯示流量為零、顯示負流量等異常情況，它們都是關口表計，這些狀況都會影響到正常結算，甚至導致結算虧損。

 

1、Z型多聲道超聲波測量原理

Z型多聲道超聲流量計是利用傳播時間差法來測量流體流量，通過測量超聲脈沖傳播時間得出介質流量的流動速度，然后根據管道的截面積算出流體體積，非常終對流體體積的時間積分得出相應時間內的總流量。

 

1.1測量原理及示意圖

兩個相對換能器同時發出聲脈沖，讓兩個聲脈沖在管道內沿斜線向逆流和順流方向傳播，而聲脈沖傳播時間與介質的流速有關，如果流體沒有流動，聲脈沖將以相同速度向兩個方向傳播，當管道中的流體正向流動時，沿流體方向順流傳播的脈沖將加快速度，而逆流傳播的脈沖將減慢速度，因此當流體流動時，順流傳播的時間t1將縮短，而逆流傳播的時間t2會增長，分別測量它們的傳播時間t1、t2，算出時間差便可以算出流體的流速，原理示意圖如圖1所示。

1.2計算公式及說明

當流體靜態時，從傳感器A到B，B到A的傳播時間t1與t2是相等的，即:

V=0時t1=t2=L/v

 

當流體有正向流速時，從A到B的傳播時間t1減少，從B到A的傳播時間t2增加，即:

t1=(v+Vcosθ)，t2=(v－Vcosθ)

所以如果計算時間差即:△t=t1－t2=2Vcosθ，則:V=△t/2cosθ

 

可得出與聲脈沖的聲速v無關，只與流體的流速成比例，根據換能器的安裝角度就可以計算出當前流體的流速。

 

2出現負流量故障原因分析及處理過程

2019年10月初，對外供熱前的補充水試驗期間，在停止補水時發現補充水流量計顯示流量不是0t/h，而是顯示負流量，檢查管路無震蕩現象，補充水泵無倒轉現象，初步懷疑是流量計本身問題。

 

流量計的組成為換能器、線纜、接線盒、表頭，經過檢查換能器無漏水，測量換能器電容正常;檢查線纜無破損，接地線連接良好;檢查接線盒接線正常，接線板路無氧化現象;檢查表頭內部顯示信號正常，三個聲道的脈沖聲速一致，主板無報警，當用示波器檢查聲道卡件時發現三個卡件的接收信號始波電壓偏高，而問題就出在了接收信號的始波電壓上。

 

聲道卡件上有兩個可調旋鈕塊，非常上邊一個可調旋鈕塊(TP1)是調整換聲道卡件門檻電壓的，當門檻電壓不合適時會有雜波導致顯示流量波動，而另一個可調旋鈕塊(TP2)是調整聲道卡件接收信號的，一般接收信號的始波電壓為2～3V，當電壓過低或者過大則會導致流量偏大、偏小甚至會出現負流量，非常終通過調整接收信號始波后流量計顯示恢復為0t/h。聲道卡件及示波器測量門檻電壓和接收信號的連接方式如圖2所示。

圖2為整體連接線方式，根據測量參數及上(下)游換能器不同來更換連接點。

 

3、聲道信號消失故障原因分析及處理過程

2020年10月初，對外供熱前的補充水試驗期間，在補充水時發現補充水流量計顯示流量正常，但是查看信號發現三聲道的信號有兩個聲道信號消失。

 

通過上述非常好個故障的檢查步驟檢查完畢后均未找到問題，再次檢查流量計表頭內部其他設置參數后，發現表頭內部寫入的聲道長度與正常的聲道長度偏差很大，其聲道長度與管徑相同，根據圖1(a)可知，L是明顯大于D的，所以聲道長度與管徑相同是不正確的，聲道長度不正確則會導致流速計算上的誤差，因此當板件內部設置距離與實際距離產生較大誤差時測量流量為0t/h。通過重新推算聲道長度后兩個聲道信號恢復了正常。

 

判別表頭寫入的距離與實際距離有偏差的原理是:水溫在0～74℃左右時超聲波在水中速度為1400～1557m/s左右，溫度超過74℃后超聲波在水中的聲速會再次下降，所以超聲波的傳播速度基本維持在1400～1557m/s之間，根據初始安裝時測量的傳播時間，計算非常低聲速1400m/s和非常高速度1557m/s相對應的非常小距離和非常大距離，當超出非常小距離和非常大距離范圍的距離則判斷為錯誤距離。

 

4、異常波動故障原因分析及處理過程

2020年10月23日，對外供熱正常運行期間，發現供水流量顯示異常波動，上下波動量超過300t/h，而另外一臺熱網公司的供水流量計顯示正常，初步懷疑是流量表計問題。

 

檢查換能器無漏水，測量換能器電容正常;檢查線纜無破損，接地線連接良好;檢查接線盒接線正常，接線板路無氧化現象;檢查表頭內部顯示信號正常，三個聲道的脈沖聲速一致，主板無報警;檢測聲道卡件門檻電壓、接收信號正常;檢查聲道長度也正常。

 

經過再三排查與分析，考慮到該流量計安裝位置相對靠近供水管道拐歪處，懷疑流量計換能器附近有汽泡聚集，因為超聲波在不同的介質中傳播速度不同，當有大量汽泡聚集時，流體工況由純液體轉變為氣、液混合流體，超聲波的傳播速度受到影響，由于汽泡的時變性導致超聲波的傳播速度不斷發生變化，致使顯示流量異常波動，通過排汽閥檢查確實存在汽泡，經過排汽一段時間后流量計顯示回復正常。

 

2020年11月22日，對外供熱正常運行期間，再次發現供水流量顯示異常波動，上下波動量同樣超過300t/h，熱網公司的供水流量計還是顯示正常，這次檢查發現5聲道信號消失，測量換能器電容異常，發現換能器延長線接頭處已斷開，更換延長線后5聲道信號恢復正常，流量計顯示恢復正常。

 

5、總結

當超聲波流量計出現故障時應該檢查以下幾個方面。(1)換能器本身故障、延長線問題、端子盒及接線問題。(2)流量計表頭內部參數設置(儀表長期停電、換能器有過維護移動都會改變實際或儲存參數)，流量計DPU、聲道卡件等板件故障。(3)流體工況的改變，如供水泵運行情況，汽泡聚集情況等。