超声热量表换能器安装方式

朱 锐 梁 芳 / 新疆计量测试研究院

0 引言

随着供热计量改革，热量表已迅速进入我国北方的千家万户，应用越来越广泛。热量表由流量传感器、配对温度传感器和计算器三部分组成。流量传感器为超声波式的热量表称为超声热量表。超声热量表一般采用时差法计算流体的流速。压电换能器的安装方式对超声热量表流量测量有较大影响，本文通过介绍超声热量表的换能器探头安装方式，结合实际检测经验分析每种安装方式的特点，进而对超声热量表选型提出相应建议。

1 时差法测量原理

时差法是利用两个压电换能器相互向对方发射超声波，双方接收并记录时间差，由于声波在流体中顺流传播和逆流传播的速度不同，时间差可以准确反映流体速度。测量原理见图1。

图1 时差法超声波流量测量原理

图1中，D为管道内直径，L为换能器间距，θ为传播方向与流动方向夹角。设t1为超声波顺流时间，t2为逆流时间，c为超声波在非流动介质中的声速，V为介质流动速度。则顺流和逆流时间可表示为

t2和t1之间的差为

由于 V ＜＜ c，所以流体的流速为

由于时差法所测量的流速是声道上的线平均流速，而计算流量所需是流通横截面的面平均流速VS。两者是不同的，差异取决于流速分布状况。因此，必须对流场分布进行修正。液体实际流速为

式中，K为流速分布修正系数。

可见，足够的超声波传播距离，合理的传播方式，才可能得到较为准确的测量结果。换能器的安装方式对超声热量表的计量性能有重要影响。

2 换能器安装方式

在实际应用中，根据超声波的传播轨迹，超声热量表换能器探头的安装方式主要有V、N、W、Z、X、U六种方式。

2.1 V法

见图2。V法安装时，超声波经过壁面的反射，传播射线轨迹为折线，经历两个声程。V法测量较准确，可测口径范围较广，是换能器的标准安装方式。

图2 V法安装示意图

2.2 N法

见图3。N法安装时，超声波在管道中折射两次，穿越流体三次，经历三个声程。通过延长超声波传输距离的方法，提高了小口径的测量准确度。

2.3 W法

见图4。W法与N法类似，也是通过延长超声波传播距离来提高测量准确度。超声波在管内折射三次，穿过流体四次，共经历四个声程，适用于小口径流量测量。

2.4 Z法

见图5。Z法安装时，超声波在管道中直接传输，没有折射，又称为单声程。当管道很粗或由于液体中存在悬浮物或管内壁结垢太厚，反射安装方式信号弱时，应首选Z法安装。原因是使用Z法时，超声波在管道中直接传输，没有折射，信号衰耗小。一般口径100 mm以上超声热量表采用Z法较多。

图3 N法安装示意图

图4 W法安装示意图

图5 Z法安装示意图

2.5 X法

见图6。当流场分布不均匀，或表前的直管段较短，或需要较高测量准确度时，可采用多声道方式（例如双声道或四声道）来克服流速扰动带来的流量测量误差。双通道方法，即为X法。X法通过对流速分布和面积的二重积分，计算出流量，因此可以在低流速、复杂的流态下得到较高的测量准确度。

图6 X法安装示意图

2.6 U法

U法安装见图7。U法是一种新式换能器探头安装方式。两个反射片固定在管道内，反射片与管道中心轴线的夹角为45°。换能器1发射的超声波信号经过两个反射片后被换能器2接收，完成一次测量。U法安装的优点是：保证超声波有足够的传播距离，避免了斜超声波传播时声波折射角对测量结果的影响，从而提高了流量测量准确度；缺点是：管道布置复杂，反射片对流场分布有一定影响。

图7 U法安装示意图

另外，为了避免管壁反射造成的超声波信号自身干扰、方向性差、强度低等缺点，对于反射安装方式的超声热量表，厂家一般对反射面进行精细加工，反射面不易结垢，超声波信号反射效果较好。

3 分析

小口径、小流量点的测量，是超声热量表流量测量的一个难点。因此，DN50 mm以下的超声热量表换能器探头一般采用多声程反射安装方式，如V、N、W、U四种方法。通过增加超声波传输距离的措施，提高流量测量准确度。由于U法反射片对低速流量影响较小，U法安装测量准确度高，稳定性好，目前在小口径超声热量表中也应用广泛。

DN50 mm到DN100 mm的超声热量表，换能器探头多采用V、N、W、Z四种方法。由于口径增大时，反射片对流场的影响增大，U型安装方式较少采用。

DN100 mm以上的超声热量表，换能器探头一般采用Z、X两种方法。原因在于口径较大时，单声程能满足测量要求，超声波在管道中直接传输，没有折射，信号衰耗小。安装条件有限和需要较高测量准确度时，一般采用多声道的X法。

4 结语

户用热量表建议选用多声程超声热量表，其中换能器探头U法安装的超声热量表在低流速流量测定中计量性能较好；楼栋热量表建议选用单声程的超声热量表，即换能器探头为Z法安装。管道压损小，超声波信号强，对水质要求较低。在高准确度流量测量中，X法安装具有明显优势。以上结论，在超声热量表检定和校准工作中已得到验证。

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