[儀器使用] 超音波流量計

最近為了工程,需要了解水在水管中的流速跟流量,於是去入手一台超音波流量計。使用非破壞性的量測方式來評估水管中的流速跟流量。

那就學學怎麼用吧!


閱讀資料

看完44頁原廠PDF後,根據自己需要的量測需求,開始做小抄。

以前碩士班時,看過600頁的儀器操作手冊,所以這個量算還好。


超音波是什麼

美國國家標準協會 (American National Standards Institute; ANSI) 將超音波定義為「頻率大於 20 kHz 的聲音」。在大氣壓力的空氣中,超音波的波長為 1.9 公分或更短。

超音波可以在非常高的頻率下產生;超音波用於聲化學 (sonochemistry),頻率高達 kHz [1-3]。醫學影像設備使用 MHz 範圍內的頻率 [4]。 超高頻超音波已產生高達 GHz 的波段 [5, 6]。

超音波頻率範圍圖。超音波對應的大致頻率範圍,以及一些大致上的應用對照。


量測原理

原理簡單說,就是超音波打進水後,順流跟逆流的傳輸時間會不同,順流會比較快、逆流會比較慢,順流跟逆流的時間差會跟速度成正比,用此時間差,可以推得水的流速。

詳細推導,直接跳過。


超音波流量計(Ultrasonic flow meter)使用介紹

先來一張使用流程圖。其中項目 (3)~(5) 的順序不是那麼絕對,可以依照習慣調整。

使用流程圖。

(1) 檢查配件

(1) 手持式超音波流量計、(2) 外夾式傳感器(up, down)、(3) 訊號線、(4) 耦合劑

(2) 選擇安裝點

安裝點須考慮: 滿管、穩流、震動、溫度、壓力、結垢、電磁干擾等。
滿管及穩定流動的流體才能符合該設備的量測理論模型,這樣才能保證測量精度。而狀態混亂的流體,則無法保證測量精度。
滿足穩流條件的基本要求:
(1) 管道遠離幫浦出口及半開閥門,建議遠離30D以上。(D指的是管的外徑)
(2) 在直管狀態下,建議上游段的直管長度為10D、下游段的直管長度5D。

(3) 設置參數

按 MENU 1 1 進入 Menu 11,輸入管路外徑(單位: mm),按 ENT 鍵完成輸入。
按 ▼ 進入 Menu 12,輸入管壁厚度(單位: mm)。
按 ▼ 進入 Menu 14,選擇管材。
(若Menu 14選擇 Others,按 ▼ 進入 Menu 15,填入管路材料的音速值。)
按 ▼ 進入 Menu 16,選擇襯材。(如果有的話)
按 ▼ 進入 Menu 20,選擇流體類型。
按 ▼ 進入 Menu 23,選擇傳感器類型。
按 ▼ 進入 Menu 24,選擇安裝方式。
按 ▼ 進入 Menu 25,顯示安裝距離。此時要用此距離來安裝傳感器。
按 MENU 2 6 進入 Menu 26,紀錄設置參數,方便下次使用。

(4) 主機與傳感器間的接線,接上去。


(5) 傳感器安裝與測試

外夾式傳感器的安裝方式有V法和Z法。小管徑優先使用V法。安裝時,兩傳感器需要水平對齊,其中心線與管軸線平行,並注意up跟down的傳感器方向要相對。

V法傳感器安裝。流體由左向右流動,上游傳感器安裝在Up位置,下游傳感器安裝在Down位置。超音波由一個傳感器斜斜入射至管中,反彈一次後,呈現一個V字造型,傳至另一個傳感器中。

定位的安裝點要除掉油漆、鏽跡、防腐層,最好用打磨機打磨出金屬光澤,並擦去油汙和灰塵。
傳感器的發射面上,均勻塗抹2~3mm厚的耦合劑,然後用鋼帶或鋼絲繩將傳感器固定在管子上。

(6)檢查安裝

有兩個檢查項目。

Menu M90,檢查信號強度和信號品質。

要大於60分

信號強度、信號品質判斷
>80
75~80
60~75
<60無法工作

Menu M91,檢查實測與理論傳輸時間比。

差異要在 ± 3%內。

傳輸時間比,是按流量計的設置參數,來計算超音波的理論傳輸時間,並與實際量測的時間來對比,得到百分比值。該值應介於97~103%之間。若不在該區間,表示可能是傳感器設置距離有誤。


實際測試

直接拿去現場量測。水管內徑為2英吋。

量得
流速: 2.490 m/s
流量: 22.605 m3/h = 6.28 l/s

1 l/s = 0.001 m3/ (1/3600 h) = 3.6 m3/h

超音波流量計,現場量測照。(日期: 2025-04-21)


感想

1.
如果不看完操作手冊,直接衝動去按儀器,大概會GG。

2.
學習完後,搞清楚怎麼用,又有得驗證,非常好!

3.
當年在物理系修了超音波的課程,所以基礎知識還銜接的上。

也修過電磁學,裡面有講到連續方程式,所以對流體還有一點點的了解。

在基礎知識相對完備的狀況下,要學習這個儀器的使用,進入障礙就會低很多。


其他連結

YouTube: Ultrasonic Flow Meter Explained | Working Principles

YouTube: The Ultrasonic Flow Measuring Principle

YouTube: Measuring Principle of Ultrasonic Flowmeters | KROHNE
有計算推導

How to Install an Ultrasonic Flow Meter? - Deciding Between Z, V, N, or W Methods for Probe Installation

The Benefits of Using Ultrasonic Flow Meters for Steam Measurement

Wikipedia: Ultrasonic flow meter

Wikipedia: Ultrasound


參考文獻

[1] Entezari M, Kruus P and Otson R 1997 The effect of frequency on sonochemical reactions .3. Dissociation of carbon disulfide Ultrasonics Sonochemistry 4 49-54 DOI: 10.1016/S1350-4177(96)00016-8
[2] Entezari M and Kruus P 1996 Effect of frequency on sonochemical reactions .2. Temperature and intensity effects Ultrasonics Sonochemistry 3 19-24 DOI: 10.1016/1350-4177(95)00037-2
[3] Entezari M and Kruus P 1994 Effect of frequency on sonochemical reactions .1. Oxidation of iodide Ultrasonics Sonochemistry 1 S75-S9 DOI: 10.1016/1350-4177(94)90001-9
[4] Passmann C and Ermert H 1996 A 100-MHz ultrasound imaging system for dermatologic and ophthalmologic diagnostics IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 43 545-52 DOI: 10.1109/58.503714
[5] Pomerantz M, Grossman S and Koo J 1973 Temperature Dependence of Attenuation of 3- and 9-GHz Ultrasound in Rutile (TiO2) Phys. Rev. B 8 5828-36 DOI: 10.1103/PhysRevB.8.5828
[6] Storkel U, Vodopyanov K and Grill W 1998 GHz ultrasound wave packets in water generated by an Er laser J. Phys. D 31 2258-63 DOI: 10.1088/0022-3727/31/18/010


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