便攜式超聲波流量計對在線(xiàn)流量計進(jìn)行比對

    當在線(xiàn)流量計的數據突然發(fā)生變化時(shí)，很難判定是工藝上的原因還是流量計本身的故障所致。以往多采用將流量計拆回標定、現場(chǎng)安裝備用流量計的方法來(lái)確定原因所在，這不僅影響了生產(chǎn)，而且極大地增大了維護的工作量。為解決這個(gè)問(wèn)題，當對在線(xiàn)流量計產(chǎn)生疑問(wèn)時(shí)，可采用便攜式超聲波流量計對在線(xiàn)流量計進(jìn)行現場(chǎng)比對，以確定在線(xiàn)流量計本身是否存在故障。

    1 測量原理

    超聲波測量封閉管道流量的方法根據檢測原理可分為多種，主要有時(shí)差法、多普勒法和聲束偏移法。多普勒法主要用于測量氣液兩相流體或氣固兩相流體，而聲束偏移法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^[1]。

    便攜式超聲波流量計采用的是時(shí)差法進(jìn)行測量，聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會(huì )增大，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間，利用傳播時(shí)間之差與被測流體流速之間的關(guān)系可求取流體流速，計算出流體流量。其測量原理如圖1所示。

    由圖1中可以看出，順流方向流體流經(jīng)2個(gè)換能器之間的時(shí)間；逆流方向時(shí)間

    二者時(shí)間差（相對于c來(lái)說(shuō)，v可以忽略不計，故c²-v²≈c²）

    則流體的流速

    流體的體積流量

    因此，c和D已知時(shí)，測出時(shí)差Δt，便可求出qv。

    便攜式超聲波流量計是將換能器用夾裝件固定在測量管道的外壁上，無(wú)需管道斷流，安裝簡(jiǎn)單、使用方便。測量時(shí)，晶體發(fā)出的聲波通過(guò)聲楔、耦合劑、管道壁、襯里等物件傳到被測流體。

    在測量時(shí)需確定被測管道外徑、管道厚度及襯里厚度以計算管道流通截面積，確定管道材質(zhì)、襯里材質(zhì)、流體名稱(chēng)和流體黏度以計算超聲波的傳播速度，還需確定換能器的安裝方式以計算超聲波的傳播長(cháng)度。

    當以上這些數據輸入到流量計的主機后，主機可以精確地計算出換能器的安裝距離。

    2 安裝方法

    換能器常見(jiàn)的3種安裝方式為Z法、V法、W法，如圖2所示。

    通常情況下，管徑小于300mm時(shí)，采用V法安裝，管徑大于200mm或接收到的信號較弱時(shí)，宜采用Z法安裝。對于既可以用V法安裝又可以用Z法安裝的換能器，盡量選用Z法。實(shí)踐表明，Z法安裝的換能器超聲波信號強度高，測量的穩定性也好。當管道直徑非常小，在DN80以下時(shí)，可采用W法，但此種測量方法超聲波經(jīng)多次反射，接收到的信號非常弱，而且對安裝的要求也很高，建議盡量不要采用此方法。

    安裝換能器時(shí)，管道外表面應去除保溫層、去漆，銹跡應砂平，涂勻耦合劑，不能有空隙，否則聲波會(huì )在固、氣界面上發(fā)生折射，無(wú)法傳到被測流體。

    換能器前后要有足夠長(cháng)的直管段，以確保流體所需的流速分布，一般情況下要求前直管段10D以上，后直管段5D以上，而且上游30D內不能裝泵、閥等擾動(dòng)設備。換能器安裝在傾斜和水平管道上時(shí)，不要裝在上部或底部，以免管道內的氣體或雜質(zhì)進(jìn)入測量聲道。換能器的安裝要使超聲波傳播途徑通過(guò)管道中心^[2]。

    3 測量精度

    將便攜式超聲波流量計安裝在水流量標定裝置不同管徑的管道上，對其進(jìn)行實(shí)流測試，由測試數據可以看出，便攜式超聲波流量計的測量精度可達1.5級。當在現場(chǎng)安裝使用時(shí)，因受現場(chǎng)條件、介質(zhì)狀態(tài)、管道數據及安裝的影響，測量精度略有降低，但測量誤差不應超過(guò)其實(shí)際流量的士5%，因此，使用便攜式超聲波流量計對在線(xiàn)流量計進(jìn)行在線(xiàn)比對是完全可行的。

    4 在線(xiàn)測量中易出現的問(wèn)題及對策

    如果便攜式超聲波流量計安裝啟動(dòng)后，出現輸出時(shí)有時(shí)無(wú)，且誤差大的現象，有以下幾種可能。

    （1）換能器的安裝距離不對。此時(shí)需檢查換能器的安裝距離與主機計算出的數據是否一致，輕微調整換能器的安裝位置與距離，提高信號強度。
    （2）儀表設定的管徑、襯里、流體等參數有誤。此時(shí)需要對參數重新進(jìn)行核實(shí)。
    （3）換能器的安裝位置不對。換能器安裝時(shí)應避開(kāi)管道的焊縫及連接處，也不能裝在傾斜或水平管道的上部或底部，上部有可能流體不滿(mǎn)管，底部則有可能有雜質(zhì)或泥沙。
    （4）流體中氣泡太多。此種情況下排除氣體即可得到穩定的信號。
    （5）管道內部有結垢，凹凸不平。此時(shí)可以用手錘擊打測量點(diǎn)的管壁，如果接收到的信號強度不斷上升，則說(shuō)明是管道內壁結垢太厚引起的，可繼續擊打測量點(diǎn)，使接收的信號達到要求為止。
    （6）附近有泵或有無(wú)線(xiàn)電波干擾。換能器的安裝需避開(kāi)這些位置。

    5 結論

    綜上所述可以看出，便攜式超聲波流量計在實(shí)際應用中具有不可替代的優(yōu)勢：可實(shí)現不斷流測量，設備體積小，便于攜帶，安裝方便；外卡式探頭，不干擾流場(chǎng)，無(wú)壓力損失；儀表無(wú)可動(dòng)及易損部件，穩定性好；適用范圍廣，可用于各種類(lèi)型流量計的在線(xiàn)比對；適應性強，可用于不同管徑的比對；標準表價(jià)格基本與所測管徑無(wú)關(guān)，性?xún)r(jià)比高。

    但便攜式超聲波流量計受其自身測量方式的限制，測量精度受到很多外界因素的影響，在實(shí)際應用中也存在著(zhù)一些不足之處。

    （1）要求用戶(hù)確定管道條件，包括管道材質(zhì)、確切的管道外徑、壁厚、襯里材質(zhì)和厚度等，當管道條件不確定時(shí)，會(huì )降低測量準確度。
    （2）對管道內壁要求較高，不能有腐蝕、結垢、結晶等現象，銹蝕會(huì )改變超聲波傳播路徑，襯里與內管壁剝離的管道有氣體會(huì )嚴重衰減超聲波信號，襯里或結垢太厚的管道也會(huì )帶來(lái)較大的流量誤差。
    （3）人為因素對測量的影響較大，對操作人員要求很高。
    （4）便攜式超聲波流量計的精度相對低一些，不能用作流量計標定，只可提供在線(xiàn)流量計的參考數據。
    （5）主要用來(lái)測量潔凈的流體和雜質(zhì)含量不高（雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均勻流體，而不能用來(lái)測量氣體流量，因為管道和被測氣體的密度相差太大，聲波在管道壁中的傳播速度遠大于氣體中的傳播速度，聲波經(jīng)過(guò)管壁折射后已無(wú)法滿(mǎn)足測量要求。

    參考文獻：

    [1] 中石化集團公司.石油化工設備維護檢修規程.北京：中國石化出版社，2004
    [2] 朱炳興，王森.儀表工試題集.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004