前 言

超聲波流量計(jì)可用來測量不易接觸、不易觀察的 流體流量和大管徑流量，其對(duì)流體的溫度、粘度、密度 等因素不敏感，靈敏度高，安裝維修方便，通用性好。 目前其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利和污水 處理等行業(yè)。水電站在測量機(jī)組過機(jī)流量或電站引用流量時(shí)，常用到超聲波流量計(jì)［1］，而機(jī)組過機(jī)流量 與機(jī)組的效率考核密切相關(guān)，如果超聲波流量計(jì)選 型、布置以及安裝不當(dāng)，會(huì)因超聲波流量計(jì)不能正常 使用或者流量測量不準(zhǔn)確，對(duì)機(jī)組的效率考核和整個(gè)電站的順利竣工驗(yàn)收造成影響。超聲波流量計(jì)的選 型及安裝布置對(duì)于其高效應(yīng)用至關(guān)重要，本文著重對(duì) 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的選型和安裝布置要求進(jìn)行歸 納總結(jié)，通過列舉相關(guān)工程應(yīng)用實(shí)例，為其他水電站超聲波流量計(jì)的高效應(yīng)用提供借鑒。 

 

1 超聲波流量計(jì)的原理

超聲波在流體中傳播會(huì)載上流體的流速信息， 通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速信 息，進(jìn)而可換算成流量［2］。根據(jù)對(duì)信號(hào)的檢測原 理，超聲波流量計(jì)可分為傳播速度差法、多普勒法、 波束偏移法、空間濾波法、噪聲法等類型［3］。傳播速度差法是測量超聲波脈沖順?biāo)�流和逆水流時(shí)的速度差來反映流體流速，從而測出流量。多普勒法是應(yīng)用超聲波的多普勒效應(yīng)測得順?biāo)�流和逆水流的頻 差來反映流體流速，從而測出流量。傳播速度差法 又包括時(shí)差法、相位差法、直接時(shí)差法等。一般而言，被測流體中不含大濃度的懸浮顆粒時(shí)，采用時(shí)差 法; 當(dāng)被測流體中懸浮顆粒比較多時(shí)，采用多普勒 法［4］。水電站中一般在引水隧洞、機(jī)組蝸殼前的壓 力鋼管等部位需要安裝超聲波流量計(jì)，而電站這些 部位水質(zhì)比較清潔，因此，在水電站中應(yīng)用時(shí)差法超聲波流量計(jì)較為廣泛。 

 

時(shí)差法超聲波流量計(jì)測流原理如圖 1 所示。假 設(shè)靜止水流中的聲速為 c，水流速度為 v，一組換能 器 P1、P2 與管路軸線成 θ 角安裝( 即聲道角為 θ) ，換能器之間的距離為 L，管道的內(nèi)徑為 D。從 P2 到 P1 逆水流發(fā)射時(shí)，超聲波傳輸時(shí)間為 t1，從 P1 到 P2 順?biāo)�流發(fā)射時(shí)，超聲波傳輸時(shí)間為 t2，2 束超聲波傳 輸?shù)膶?shí)際路徑相同。

對(duì)于單聲道超聲波流量計(jì)，可求得流量:

對(duì)于多聲道超聲波流量計(jì)，是在流道不同聲道 高度( 聲道相對(duì)于流道中心的高度) 上平行布置若干聲道，每條聲道上的聲道軸向流速 vi 代表其上下 的一定面積內(nèi)的平均流速，利用多個(gè)聲道軸向流速vi 更好的估計(jì)流道的面平均流速 v，進(jìn)而得到流量。

2 超聲波流量計(jì)的分類、選型與安裝布置要求 

 

2． 1 超聲波流量計(jì)的分類

超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路、流量 顯示與累積系統(tǒng)組成。換能器在電信號(hào)的作用下產(chǎn) 生超聲波輸出，并可以將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)［5］。 按照安裝方式，超聲波流量計(jì)可以分為外夾式、 內(nèi)貼式、插入式、便攜式 4 種類型。外夾式超聲波流 量計(jì)換能器采用專用耦合劑固定在管道外，安裝時(shí) 不損壞管路，聲波的傳播路徑透過管道壁; 對(duì)于內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)，換能器是利用焊接、螺栓等方式固定在流道內(nèi)壁上; 插入式超聲波流量計(jì)使用專用鉆 孔裝置在被測管道上開孔，流量計(jì)探頭通過鉆孔從 流道外部插入安裝固定，解決了外夾式超聲波流量 計(jì)在測量結(jié)垢較厚的管道時(shí)不易接收到信號(hào)及長時(shí) 間測量信號(hào)衰減的問題; 便攜式超聲波流量計(jì)適合 移動(dòng)測量，常用于流量的標(biāo)定［6］。 按照聲道結(jié)構(gòu)類型，超聲波流量計(jì)可分為單聲道超聲波流量計(jì)和多聲道超聲波流量計(jì)兩種。單聲道超聲波流量計(jì)是在被測流道上安裝一對(duì)換能器構(gòu) 成一個(gè)超聲波通道。多聲道超聲波流量計(jì)是在流道 上安裝多對(duì)換能器，構(gòu)成多個(gè)超聲波通道，綜合各聲 道的結(jié)果求出流量。 

 

2． 2 超聲波流量計(jì)的選型

對(duì)于中小口徑管道和對(duì)測量精度要求不高的渠道中流量的測量，一般選用單聲道超聲波流量計(jì); 對(duì) 于大口徑管道和流態(tài)分布復(fù)雜的管渠中流量的測量，一般選用多聲道超聲波流量計(jì)。水電站中利用超聲波流量計(jì)測量水輪機(jī)過機(jī)流量時(shí)，一般采用多 聲道超聲波流量計(jì)( 至少采用 4 聲道) 。

 

水電站中測量機(jī)組過機(jī)流量和電站總流量時(shí)， 宜選用內(nèi)貼式或者外插式超聲波流量計(jì)，只有在業(yè) 主有明確要求的情況下，才選用外夾式。水電站水

輪發(fā)電機(jī)組蝸殼前的壓力鋼管口徑一般較大，在壓 力鋼管上布置的超聲波流量計(jì)，如安裝位置在壓力 鋼管的埋管部位( 非暴露式流道) ，超聲波流量計(jì)采 用內(nèi)貼式，換能器和電纜管管卡在壓力鋼管內(nèi)壁通 過焊接固定; 如安裝位置在壓力鋼管的明管部位 ( 暴露式流道) ，可結(jié)合壓力鋼管口徑大小、精度要 求、安裝條件等因素，考慮采用插入式或內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)。為便于安裝，選用內(nèi)貼式超聲波流量計(jì) 時(shí) D 至少為 1． 6 m，選用外插式超聲波流量計(jì)時(shí) D 至少為 0． 8 m( 其中 D 為安裝流道的圓形斷面直徑或者矩形斷面等效直徑) 。

 

2． 3 超聲波流量計(jì)的安裝布置要求

超聲波流量計(jì)的換能器的安裝位置應(yīng)盡量選擇遠(yuǎn)離擾動(dòng)區(qū)、流場平順、施工難度小的位置，應(yīng)避開 管路的焊接位置和凹凸不平處，不宜選擇在彎頭、變 徑、閥門、節(jié)流裝置等能產(chǎn)生壓降的設(shè)備的下游，因 為管道中的流體當(dāng)壓力降低時(shí)會(huì)不同程度釋放出氣 體，這些氣體會(huì)減弱超聲波信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響到流量測量的準(zhǔn)確度［7－8］。由于氣體會(huì) 聚集在管道的非常高處，為避免流量計(jì)由于夾雜有氣體或空氣或者空管而造成測量誤差和功能異常，同時(shí)應(yīng)避免將流量計(jì)安裝在該位置。換能器可以選擇安裝在水平管段或者垂直管段，選擇垂直管段的部 位時(shí)，優(yōu)先選擇管中流體向上流動(dòng)的位置，當(dāng)現(xiàn)場條件不具備時(shí)，才考慮流體自上向下流動(dòng)的管段，但此 時(shí)需保證管道內(nèi)的背壓，確保流體滿管平穩(wěn)流動(dòng)。

 

對(duì)于單聲道超聲波流量計(jì)，其精度要比多聲道超聲波流量計(jì)的精度差一些，為提高單聲道超聲波流量計(jì)的測量準(zhǔn)確性，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)盡量保證單聲道超聲波流量計(jì)安裝位置的上游側(cè) 30 倍 管徑長度的范圍內(nèi)沒有影響流體擾動(dòng)的閥門、水泵、 節(jié)流孔等［6］。

 

水電站中測量機(jī)組過機(jī)流量時(shí)，超聲波流量計(jì) 宜安裝在蝸殼前壓力鋼管水平直管段上，超聲波流 量計(jì)換能器安裝位置前后的直管段長度應(yīng)滿足前 10D 后 3D( 部分廠家要求前 10D 后 5D) ，在無法滿 足前 10D 后 3D 直管段長度要求的情況下，安裝位 置的上游直管段宜大于其下游直管段的長度。對(duì)于

水泵水輪機(jī)，由于需要兼顧水輪機(jī)和水泵兩種工作 模式，需滿足前 10D 后 10D 的直管段條件。對(duì)于無 法滿足直管段條件的水電站，可采用交叉聲道面配 置、采用更多的聲道數(shù)以提高復(fù)雜流場條件下的流速代表性。

 

3 應(yīng)用實(shí)例 

3． 1 外夾式超聲波流量計(jì)在水電站中的應(yīng)用

根據(jù)超聲波在管道中的反射次數(shù)，外夾式超聲波流量計(jì)可分為“Z”型、“V”型、“N”型等安裝方式。對(duì)于“Z”型安裝的超聲波流量計(jì)，超聲波在管道中直接傳輸，沒有折射，信號(hào)衰減小，建議 300 mm 以 上管徑優(yōu)先選用“Z”型安裝［7］。“V”型安裝的超聲波流量計(jì)的超聲波波束在管道中反射 1 次，穿過流 體 2 次; “N”型安裝的超聲波流量計(jì)的超聲波波束在管道中反射 2 次，穿過流體 3 次。由于超聲波傳 播時(shí)間越長，測量精度就越高，因此，在測量小口徑管道中的流體流量時(shí)，可采取多次反射的方法，增大超聲波的傳播路徑，進(jìn)而增大其傳播時(shí)間，提高超聲波流量計(jì)的測量精度。但每次反射都會(huì)造成超聲波信號(hào)的衰減，故傳播次數(shù)也不宜過多。故“V”型安 裝與“N”型安裝相比，“V”型安裝更為常用，管徑在 100 ～ 300 mm 時(shí)可優(yōu)先選用“V”型安裝［7］。 

 

南美某水電站位于南美洲厄瓜多爾薩莫拉·欽 奇佩省境內(nèi)的薩莫拉河上，工程開發(fā)的主要任務(wù)為發(fā)電，該電站為低閘長引水式電站，裝設(shè) 3 臺(tái)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量 60 MW。根據(jù)業(yè)主要求， 該電站在每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水閥前的壓力鋼管上安裝 1 套單聲道外夾式超聲波流量計(jì)，用于測量機(jī)組進(jìn)口的 流量，壓力鋼管內(nèi)徑為 1 400 mm。超聲波流量計(jì)的安裝布置如圖 2 所示，換能器采用“Z”型安裝，兩換 能器水平平齊，與管道軸線水平方向一致，換能器電 纜接入控制箱。確定好換能器具體安裝位置后，用 擰緊固定螺絲將換能器安裝框架在管道外壁固定好，在管道周圍纏繞安裝帶，安裝帶的松緊程度通過 安裝帶調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過安裝帶對(duì)換能器安 裝框架加固。再將涂有耦合劑的換能器裝入換能器 安裝框架，擰緊換能器的固定螺絲，將換能器緊緊固定在預(yù)定的安裝位置�？刂葡渫ㄟ^螺栓和螺釘在墻 上固定�，F(xiàn)場安裝好的超聲波流量計(jì)換能器和控制 箱分別如圖 3 和圖 4 所示。

 

 

3． 2 內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)在水電站中的應(yīng)用

對(duì)于內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)，其安裝位置不同，換 能器的固定方式也不同。對(duì)于安裝在引水隧洞混凝 土襯砌上的超聲波流量計(jì)，其換能器一般采用螺栓

固定，對(duì)于安裝在鋼管內(nèi)壁上的內(nèi)貼式超聲波流量 計(jì)，其換能器一般焊接固定在鋼管內(nèi)壁。老撾某水電站位于老撾中部賽松本省內(nèi)，電站距離首都萬象公路里程約 265 km，直線距離 116 km，電站裝設(shè) 3 臺(tái)單機(jī)容量為 160 MW 的混流式水 輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量 480 MW。該電站引水隧 洞末端經(jīng)岔管分別引水至 3 臺(tái)機(jī)組，隧洞內(nèi)徑為7 700 mm，在引水隧洞進(jìn)水口閘門后位置為 T0 + 130． 00 m 處設(shè)置一套 8 聲道內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)， 安裝斷面為混凝土襯砌，超聲波流量計(jì)的安裝布置如圖 5 所示。引水隧洞內(nèi)的換能器座、電纜管管卡 均用化學(xué)錨栓固定在引水隧洞內(nèi)壁襯砌上。換能器

的電纜緊貼引水隧洞內(nèi)壁敷設(shè)，沿著引水隧洞敷設(shè) 至進(jìn)水口附近，經(jīng)在進(jìn)水口預(yù)埋的電纜套管引至進(jìn) 水口壩頂層，經(jīng)穿纜器穿出，再與控制箱連接。

另外，每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水閥前壓力鋼管上各設(shè)置一套 8 聲路內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)，安裝斷面為鋼襯，鋼 襯內(nèi)徑 3 300 mm，超聲波流量計(jì)的安裝布置如圖 6

所示。換能器座和電纜管管卡與壓力鋼管內(nèi)壁均采 用焊接方式固定，信號(hào)電纜先通過壓力鋼管頂部開 孔引出，開孔部位與電纜套管的一端焊接，電纜套管 埋設(shè)在壓力鋼管上方混凝土中，信號(hào)電纜再經(jīng)電纜 套管另一端的穿纜器穿出，引至主廠房上游 378． 30 m 層控制箱。

4 結(jié) 論

 ( 1) 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測量的流體流速與時(shí)間差 Δt 成正比，2 束超聲波脈沖傳播的時(shí)間差越 大，流體的流速越大，流量越大。

 ( 2) 引水隧洞和壓力鋼管埋管部位布置的超聲波流量計(jì)選用內(nèi)貼式，壓力鋼管的明管部位布置的超聲波流量計(jì)優(yōu)先采用插入式或內(nèi)貼式，在業(yè)主有 明確要求且不能更改時(shí)，才用外夾式。

 ( 3) 對(duì)于水電站中測量機(jī)組過機(jī)流量的超聲波流量計(jì)，其換能器安裝位置前后的直管段長度在現(xiàn) 場條件具備的情況下宜滿足前 10D 后 3D( 部分廠 家要求前 10D 后 5D) ，在無法滿足前 10D 后 3D 直 管段長度要求的情況下，安裝位置的上游直管段宜 大于其下游直管段的長度，同時(shí)應(yīng)當(dāng)增加超聲波流 量計(jì)的聲道數(shù)。

( 4) 超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度與其現(xiàn)場安裝條件密切相關(guān)，現(xiàn)場流動(dòng)條件對(duì)超聲波流量計(jì)性能的影 響主要與擾流件類型、流量計(jì)距擾流件的距離、流量計(jì)的聲道數(shù)、流量計(jì)積分方法等因素有關(guān)。對(duì)無法滿足直管段條件的超聲波流量計(jì)，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場流動(dòng)條件評(píng)估。