超声波流量既适用于大管径的介质流量的测量，也适用于小管径的介质流量的测量。它优点在于测量准确度高的同时，几乎还不受被测介质的各种参数的干扰，另外还可以解决强腐蚀性、非导电性、易燃易爆介质的流量测量不准确问题。虽然超声波流量计无可动部件，需要的维护相对较少，但是由于超声波流量计的换能器怕振动、怕杂质及气泡等影响，因此超声波流量计在日常运行中还是会出现一些常见问题，近期笔者单位热网补充水流量计(三声道)与厂外热网供水流量计(五声道)曾出现显示流量波动大、显示流量为零、显示负流量等异常情况，它们都是关口表计，这些状况都会影响到正常结算，甚至导致结算亏损。

 

1、Z型多声道超声波测量原理

Z型多声道超声流量计是利用传播时间差法来测量流体流量，通过测量超声脉冲传播时间得出介质流量的流动速度，然后根据管道的截面积算出流体体积，非常终对流体体积的时间积分得出相应时间内的总流量。

 

1.1测量原理及示意图

两个相对换能器同时发出声脉冲，让两个声脉冲在管道内沿斜线向逆流和顺流方向传播，而声脉冲传播时间与介质的流速有关，如果流体没有流动，声脉冲将以相同速度向两个方向传播，当管道中的流体正向流动时，沿流体方向顺流传播的脉冲将加快速度，而逆流传播的脉冲将减慢速度，因此当流体流动时，顺流传播的时间t1将缩短，而逆流传播的时间t2会增长，分别测量它们的传播时间t1、t2，算出时间差便可以算出流体的流速，原理示意图如图1所示。

1.2计算公式及说明

当流体静态时，从传感器A到B，B到A的传播时间t1与t2是相等的，即:

V=0时t1=t2=L/v

 

当流体有正向流速时，从A到B的传播时间t1减少，从B到A的传播时间t2增加，即:

t1=(v+Vcosθ)，t2=(v－Vcosθ)

所以如果计算时间差即:△t=t1－t2=2Vcosθ，则:V=△t/2cosθ

 

可得出与声脉冲的声速v无关，只与流体的流速成比例，根据换能器的安装角度就可以计算出当前流体的流速。

 

2出现负流量故障原因分析及处理过程

2019年10月初，对外供热前的补充水试验期间，在停止补水时发现补充水流量计显示流量不是0t/h，而是显示负流量，检查管路无震荡现象，补充水泵无倒转现象，初步怀疑是流量计本身问题。

 

流量计的组成为换能器、线缆、接线盒、表头，经过检查换能器无漏水，测量换能器电容正常;检查线缆无破损，接地线连接良好;检查接线盒接线正常，接线板路无氧化现象;检查表头内部显示信号正常，三个声道的脉冲声速一致，主板无报警，当用示波器检查声道卡件时发现三个卡件的接收信号始波电压偏高，而问题就出在了接收信号的始波电压上。

 

声道卡件上有两个可调旋钮块，非常上边一个可调旋钮块(TP1)是调整换声道卡件门槛电压的，当门槛电压不合适时会有杂波导致显示流量波动，而另一个可调旋钮块(TP2)是调整声道卡件接收信号的，一般接收信号的始波电压为2～3V，当电压过低或者过大则会导致流量偏大、偏小甚至会出现负流量，非常终通过调整接收信号始波后流量计显示恢复为0t/h。声道卡件及示波器测量门槛电压和接收信号的连接方式如图2所示。

图2为整体连接线方式，根据测量参数及上(下)游换能器不同来更换连接点。

 

3、声道信号消失故障原因分析及处理过程

2020年10月初，对外供热前的补充水试验期间，在补充水时发现补充水流量计显示流量正常，但是查看信号发现三声道的信号有两个声道信号消失。

 

通过上述非常好个故障的检查步骤检查完毕后均未找到问题，再次检查流量计表头内部其他设置参数后，发现表头内部写入的声道长度与正常的声道长度偏差很大，其声道长度与管径相同，根据图1(a)可知，L是明显大于D的，所以声道长度与管径相同是不正确的，声道长度不正确则会导致流速计算上的误差，因此当板件内部设置距离与实际距离产生较大误差时测量流量为0t/h。通过重新推算声道长度后两个声道信号恢复了正常。

 

判别表头写入的距离与实际距离有偏差的原理是:水温在0～74℃左右时超声波在水中速度为1400～1557m/s左右，温度超过74℃后超声波在水中的声速会再次下降，所以超声波的传播速度基本维持在1400～1557m/s之间，根据初始安装时测量的传播时间，计算非常低声速1400m/s和非常高速度1557m/s相对应的非常小距离和非常大距离，当超出非常小距离和非常大距离范围的距离则判断为错误距离。

 

4、异常波动故障原因分析及处理过程

2020年10月23日，对外供热正常运行期间，发现供水流量显示异常波动，上下波动量超过300t/h，而另外一台热网公司的供水流量计显示正常，初步怀疑是流量表计问题。

 

检查换能器无漏水，测量换能器电容正常;检查线缆无破损，接地线连接良好;检查接线盒接线正常，接线板路无氧化现象;检查表头内部显示信号正常，三个声道的脉冲声速一致，主板无报警;检测声道卡件门槛电压、接收信号正常;检查声道长度也正常。

 

经过再三排查与分析，考虑到该流量计安装位置相对靠近供水管道拐歪处，怀疑流量计换能器附近有汽泡聚集，因为超声波在不同的介质中传播速度不同，当有大量汽泡聚集时，流体工况由纯液体转变为气、液混合流体，超声波的传播速度受到影响，由于汽泡的时变性导致超声波的传播速度不断发生变化，致使显示流量异常波动，通过排汽阀检查确实存在汽泡，经过排汽一段时间后流量计显示回复正常。

 

2020年11月22日，对外供热正常运行期间，再次发现供水流量显示异常波动，上下波动量同样超过300t/h，热网公司的供水流量计还是显示正常，这次检查发现5声道信号消失，测量换能器电容异常，发现换能器延长线接头处已断开，更换延长线后5声道信号恢复正常，流量计显示恢复正常。

 

5、总结

当超声波流量计出现故障时应该检查以下几个方面。(1)换能器本身故障、延长线问题、端子盒及接线问题。(2)流量计表头内部参数设置(仪表长期停电、换能器有过维护移动都会改变实际或储存参数)，流量计DPU、声道卡件等板件故障。(3)流体工况的改变，如供水泵运行情况，汽泡聚集情况等。