超聲波流量計在一聯(lián)合常減壓裝置中的應用

超聲波流量計是一種利用超聲波脈沖來(lái)測量流體流量的速度式流量?jì)x表，它從20世紀80年代開(kāi)始進(jìn)入我國工業(yè)生產(chǎn)和計量領(lǐng)域，并在90年代得到迅速發(fā)展。近幾年來(lái)，隨著(zhù)電子技術(shù)、數字技術(shù)的發(fā)展，使得超聲波流量計的技術(shù)不斷發(fā)展，基于不同原理、不同結構，適用于不同場(chǎng)合的各種類(lèi)型超聲波流量計得到了廣泛應用，尤其在測量某些特殊介質(zhì)流體時(shí)，因其具有運行穩定、安裝簡(jiǎn)單、維護量小等優(yōu)點(diǎn)，深受廣大用戶(hù)的青睞，所以在國內外的石油、化工、冶金、自來(lái)水、礦山、造紙、鋼鐵等工礦企業(yè)得到了廣泛的應用。在一聯(lián)合常減壓裝置有九臺被應用，占據很重要的位置。
1超聲波流量計的分類(lèi)
　　超聲波流量計是一種利用流體流動(dòng)對超聲波束在流體中傳播速度的改變來(lái)測量滿(mǎn)管流體體積的儀表。按照不同的測量原理、結構、供電方式和使用場(chǎng)合分類(lèi)，有如下幾種形式。
　　根據對信號檢測原理的不同可分為多種，主要有時(shí)差式、多普勒式和聲束偏移式流量計。聲束偏移式流量計是利用超聲波在流體中傳播時(shí)，因流體流動(dòng)而產(chǎn)生的偏移程度來(lái)反映流速或流量值。
　　根據超聲換能器的配置方式的不同，可以分為單聲道、雙聲道和多聲道三種形式流量計。雙聲道換能器能發(fā)射兩個(gè)不同頻率的獨立超聲波信號，兩種頻率用于自動(dòng)識別和消除諸如有不穩定的頻率激勵而產(chǎn)生的噪聲干擾，從而大大提高了測量準確度。
　　根據換能器的供電方式不同，可以分為外帖式、管段式和插入式三種。管段式超聲波流量計把換能器和測量管組成一體，解決了管道因材質(zhì)疏松內壁積垢等原因，導致超聲波信號嚴重衰減的難題，同時(shí)提高了測量準確度。插入式超聲波流量計可以在不斷流的情況下，利用專(zhuān)用工具在管道上打孔，將換能器插入管道內進(jìn)行測量。由于換能器直接在管道內發(fā)射和接收信號，其信號只經(jīng)過(guò)被測介質(zhì)，而不經(jīng)過(guò)管壁和襯里，所以流量測量不受管壁和襯里材質(zhì)的影響。
　　根據超聲波流量計的使用場(chǎng)合不同，可分為固定式和便捷式兩種形式。固定式超聲波流量計安裝在管道固定位置上長(cháng)期連續運行，通常有4~20mA信號輸出，供遠傳顯示、控制使用。便捷式流量計主要用于對不同口徑、材質(zhì)的管道內流體流量作臨時(shí)性測量，就地顯示或存儲流量信息。
　　2超聲波流量計的測量原理
　　2.1多普勒式超聲波流量計
　　內容多普勒式超聲波流量計是利用多普勒效應原理來(lái)測量立體的流量。
　　如圖1所示，換能器A發(fā)射頻率為fA的超聲波信號，經(jīng)過(guò)管道內流體中的懸浮顆�；驓馀莺�，頻率發(fā)生偏移，以fB的頻率反射到換能器B，著(zhù)就是多普勒效應，fA與fB之差即為多普勒頻差fd。
　　設流體的平均流速為vm，超聲波聲速為C，多普勒頻移fd正比于流體平均流速vm，即
當管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定后，C、fA、θ即為常數，流體平均流速和多普勒頻移成正比，通過(guò)測量頻移就可以得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。
圖1多普勒式超聲波流量計測量原理
2.2時(shí)差式超聲波流量計

　　內容當超聲波在流體中傳播時(shí)，探頭A發(fā)射的超聲波脈沖被探頭B接收，同時(shí)探頭B也發(fā)射超聲波脈沖，被探頭A接收，于是同一傳播距離就產(chǎn)生順流和逆流傳播的時(shí)間差，時(shí)差式超聲波流量計就是利用超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理求得流速，進(jìn)而求得流量。
　　如圖2所示，超聲波換能器A和B安裝于測量管道的外側，組成一個(gè)測量聲道，兩個(gè)換能器之間的距離為L(cháng)，測量聲道A和B與測量管道中心軸線(xiàn)形成夾角θ，超聲波在被測流體中聲波傳播速度為C。
　　由換能器A向換能器B發(fā)送超聲波信號，這是順流方向，其傳播時(shí)間為：
式中，C、L、θ均為常數，測得時(shí)間差Δt即可求得流體平均流速vm，再乘以管道截面積就可算出流體的體積流量。

3超聲波流量計在裝置上的使用及所出現的故障
　　目前一聯(lián)合常減壓裝置共使用了九臺超聲波流量計：
　　FIC115測量去電精制常一線(xiàn)油流量；
　　FI134測量去電精制常一線(xiàn)油流量；
　　FI135測量常壓蒸餾塔底油流量；
　　FI137測量常壓一中回塔頂油流量；
　　FC1209測量去電脫鹽一路油流量；
　　FC1209A測量去電脫鹽二路油流量；
　　FC1210測量去電脫鹽三路油流量；
　　FC1214A測量減壓蒸餾塔一線(xiàn)油流量；
　　FC1214B測量減壓蒸餾塔二線(xiàn)油流量。
　　本裝置使用的超聲波流量計測量的流體都是液體（原油），且流體相對比較清潔，密度較小，在0.6~0.9粘度也比較小。流量計利用的都是時(shí)差式測量原理。其中FIC115經(jīng)常出現的故障現象是：有時(shí)波動(dòng)比較大，過(guò)一段時(shí)間自動(dòng)恢復正常。FI1209A出現的故障為：測量值很小，長(cháng)期偏離實(shí)際值，且測量值幾乎不變化。
4超聲波流量計的故障分析判斷及處理
　　針對超聲波流量計FIC115出現的故障，去現場(chǎng)查看，沒(méi)有報警顯示信息，查看聲速設定值為800，與設計值一樣，再查看超聲波信號強度為58.6，也正常，檢查信號線(xiàn)與電源線(xiàn)沒(méi)有發(fā)現松動(dòng)現象。平時(shí)測量正常，有時(shí)出現短時(shí)間的大幅度波動(dòng)，可能是超聲波流量計的核心處理器系統短時(shí)間故障，處理不過(guò)來(lái)，這種可能性比較��；很有可能是工藝原因，管道內的原油短時(shí)間出現不滿(mǎn)管的現象，導致出現氣液兩相的情況，使得超聲波的傳播速度發(fā)生變化，測量出現大幅度波動(dòng)；還有可能是管道內有固體顆粒、結垢或管道被腐蝕。仔細察看，發(fā)現換能器安裝在管道的最高處，這樣就很容易出現管道內斷流現象，因為只要上游瞬間出現斷流，就必然會(huì )導致?lián)Q能器處斷流發(fā)生，如果把換能器安裝在最高處的下端，上游瞬間出現斷流，其換能器處位置相對較低，由于重力作用，不會(huì )馬上出現斷流現象。所以FIC115應該是換能器安裝位置太高，只要將其位置移至較低的地方，目前的故障就會(huì )解決。
　　對于FI1209A出現的故障，查看聲速設定值為900，與設計值一樣，再查看超聲波信號強度為38.7，與其他幾臺超聲波流量計相比偏低，其他幾臺均在60左右，于是就將耦合劑加到換能器的變送器與襯里之間，加強超聲波信號的接收，提高超聲波的信號強度。由于現場(chǎng)安裝條件的限制，換能器的另一端拆不下來(lái)，緊帖著(zhù)換熱器的保溫壁，于是只加了其中一個(gè)換能器的耦合劑，其超聲波強度提高到42.4，還是沒(méi)有消除故障。是不是介質(zhì)密度發(fā)生了變化，于是就將原來(lái)的介質(zhì)密度設定值改變，經(jīng)過(guò)數次的改變，發(fā)現測量結果還是不正確。檢查現場(chǎng)換能器的安裝情況，沒(méi)有松動(dòng)現象，儀表接線(xiàn)正常。懷疑是超聲波流量計的核心處理器電路板有故障，于是就將超聲波流量計FI1209A的兩根信號線(xiàn)拆下接到旁邊的超聲波流量計FI1209上，其指示值與FI1209幾乎一樣，所以超聲波流量計的電路板是好的。聯(lián)系廠(chǎng)家，說(shuō)是超聲波信號強度不能低于45，原來(lái)就是耦合劑干涸，影響了換能器對超聲波信號的發(fā)射與接收，導致超聲波信號強度不夠，所以測量不能正常進(jìn)行。
5結束語(yǔ)
　　通過(guò)對超聲波流量計原理的進(jìn)一步了解與現場(chǎng)超聲波流量計故障分析與判斷，得出自己的一些見(jiàn)解，換能器安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮方式的選擇和位置的確定兩個(gè)問(wèn)題。在安裝方式上，時(shí)差式超聲波流量計的換能器主要有W型、V型、Z型與X型四種。根據不同的管徑和流體特性來(lái)選擇安裝方式，通常W型適用于小管徑（25～75mm），V型適用于中管徑（25～250mm），Z型適用于大管徑（250mm以上），X型適用于中管徑（25～250mm）測量精確度要求高的場(chǎng)合�？傊�，為了提高測量的準確性和靈敏度，選擇合適的安裝方式，使得測量信號（即差值）與二次儀表相匹配。目前除FI137用了V型安裝（管徑75mm），其余均采用Z型安裝。為了保證儀表的測量準確度，應選擇滿(mǎn)足一定條件的場(chǎng)所定位：通常選擇上游10D、下游5D以上直管段；上游30D內不能裝泵、閥等擾動(dòng)設備。尤其要注意換能器盡量避開(kāi)有變頻調速器、電焊機等污染電源的場(chǎng)合。換能器也不要安裝在管道最高處，以保證管道內流體滿(mǎn)管。換能器安裝位置應該留有適當的空間，便于維修或添加耦合劑時(shí)的拆裝。在維護方面：定期檢查信號及電源線(xiàn)，定期加耦合劑，保證超聲波信號發(fā)射與接收強度。另外，建議配一便捷式超聲波流量計，便于在由于工藝方面原因引起的故障的判斷與處理.