便攜式超聲波流量計現場(chǎng)管道流量測量與分析

    現在盛行的便攜式超聲流量計使用方便靈活，一般適用于測量大口徑管道的流量，然而現場(chǎng)應用的實(shí)際測量精度，常因工作疏忽，換能器安裝距離及流通面積等測量的誤差而造成精度下降。不正確的安裝甚至會(huì )使得儀表完全不能工作。因此，儀表現場(chǎng)的安裝與調試對于測量是非常重要環(huán)節，本文就現場(chǎng)使用超聲波流量計所遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，總結出管道流量精確測量的方法。

    1 超聲波流量計的原理

    超聲流量計利用超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，可以載上流體流速信息的特性，通過(guò)接收和處理穿過(guò)流體的超聲波信息就可以檢測出流體的速度，從而換算成流量。它具有下列主要特點(diǎn)：①解決了大管徑、大流量及各類(lèi)明渠、暗渠的測量困難的問(wèn)題；②對介質(zhì)幾乎無(wú)要求；③測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等參數的影響；④測量范圍度寬，一般可達20∶1。

    時(shí)差法[1]測量是在被測流體內由兩對超聲波發(fā)生器和接收器組成兩個(gè)通道，分別在順流方向和逆流方向發(fā)射超聲波脈沖，測量其傳播的時(shí)間差△t。

    順流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時(shí)間為

    逆流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時(shí)間為

    其中：L——超聲波發(fā)射器到接收器之間的距離，也稱(chēng)聲程；c——被測流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度；u——被測流體的速度。

    在順流和逆流情況下超聲波的傳播時(shí)間差為

    由于超聲波傳播速度c遠大于流體流速u(mài)，故可認為c²-u²≈c²，故

    即

    由上式可見(jiàn)：當超聲波在靜止流體中的傳播速度可認為常數時(shí)，流體流速就與時(shí)間差△t成正比，測量△t即可得到流速，進(jìn)而求得流量。

    2 超聲波流量計的安裝與調試

    一般，超聲波流量計的安裝應從以下幾個(gè)方面考慮：①詳細了解現場(chǎng)情況；②確定安裝方式；③選擇安裝管段；④計算安裝距離，確定探頭位置；⑤管道表面處理；⑥探頭安裝及接線(xiàn)；⑦用示波器觀(guān)察接收波形，微調并固定探頭。

    2.1 換能器[2]的安裝

    （1）正確選擇安裝地點(diǎn)

    一般，當管道內徑為D時(shí)上游直管段長(cháng)度應大于10D，下游大于5D。當上游有泵、閥門(mén)等阻力件時(shí)，直管段長(cháng)度至少應有30～50D，有時(shí)甚至要求更高，如距泵房要求70～100m。當采用雙聲道或多聲道測量時(shí)，表前直管段可以有明顯縮短。

    不同形式阻流件應配置的直管段長(cháng)度列于表1所示。

    （2）正確選擇安裝方式[3]

    當流體平行于管軸流動(dòng)時(shí)，通�？捎脠D1中的透過(guò)法（Z法）安裝能獲得較好的精度。但當流體流動(dòng)方向與管軸不平行，存在半徑方向的速度成分時(shí)，應采用圖1中的反射法（V法）或者采用2V法安裝。對于已配置好的流體管道，特別是測量大口徑管道流量時(shí)，由于上游流動(dòng)狀態(tài)的干擾而易于造成測量誤差的場(chǎng)合，比較合適的措施是增加測量線(xiàn)，即增加超聲波的傳播路徑，更多地接受傳播路徑中的流速信息，進(jìn)行平均，以抵消流體擾動(dòng)造成的測量誤差。增加測量線(xiàn)時(shí)，換能器的安裝應使超聲波傳播途徑均勻地置于流通截面上。一般認為有4條測量線(xiàn)（即4個(gè)換能器）就足夠了。

    （3）確定安裝距離

    換能器的安裝應根據具體的測量方式依據說(shuō)明書(shū)上的步驟進(jìn)行，各種測量方式下的安裝步驟略有不同，但其原理相似。下面以普遍應用的透過(guò)法（Z法）的換能器安裝為例，說(shuō)明一對換能器的安裝距離的確定方法。

    一對換能器的安裝有個(gè)基本原則，稱(chēng)為距離法[4]：就是發(fā)射換能器與接收換能器應在管道的半圓平分線(xiàn)上（對于V法，則在同一半圓基線(xiàn)上），并根據實(shí)際的管道內徑，壁厚及被測流體的性質(zhì)，參數等核算，確定兩換能器之間的軸間距離h，保證安裝時(shí)h值的準確。其計算公式：

    h=2δ tanθ₂+D tanθ₃

    其中：δ——管壁厚；D——管內徑；θ₂——聲波進(jìn)入管壁中角度；θ₃——聲波進(jìn)入流體中角度

    目前的超聲流量計顯示儀表一般都有計算安裝距離的功能，只要將管道材料、管徑、壁厚、等管道參數，流量計就能計量出安裝距離h，然后用上述的距離法確定安裝位置。

    上述距離法只能用于管道條件較好的場(chǎng)合。當管道條 件不好時(shí)，如由于使用時(shí)間太長(cháng)，結垢嚴重，又不知結垢（1）正確選擇安裝地點(diǎn)實(shí)際厚度，這時(shí)就很難確定安裝距離h，對于這種情況，可采用渡越時(shí)間法[5]安裝換能器。

圖1 換能器的安裝

    首先將顯示儀表的靈敏度旋鈕到中間位置，然后按要求將一只換能器固定在管道的一側，將另一只換能器涂上黃油在管道的另一側沿上，下，左，右方向移動(dòng)，觀(guān)察顯示儀表的循環(huán)顯示燈或數字，當循環(huán)顯示燈亮了或有數字顯示，則微動(dòng)換能器，觀(guān)察渡越時(shí)間，當渡越時(shí)間接近所給定的數值時(shí)，停止移動(dòng)換能器，此時(shí)若渡越時(shí)間的前4位數穩定時(shí)，說(shuō)明換能器已安裝好。將換能器固定好，儀表就可以正常工作了。

    2.2 顯示儀表的安裝

    （1）顯示儀表的安裝地點(diǎn)

    顯示儀表的安裝地點(diǎn)應選擇振動(dòng)沖擊很小的位置，注意避免電磁場(chǎng)的影響，儀表電源應避免引起電壓波動(dòng)，使用環(huán)境溫度亦應在說(shuō)明書(shū)中的范圍之內，除特殊密封儀表外，應安裝在無(wú)腐蝕性的環(huán)境中。

    （2）連線(xiàn)長(cháng)度

    儀表與換能器之間的連線(xiàn)應用屏蔽線(xiàn)，連線(xiàn)長(cháng)度按說(shuō)明書(shū)要求，一般不超過(guò)500m，但在發(fā)電廠(chǎng)，由于干擾較大，連線(xiàn)長(cháng)度一般不超過(guò)100m。

    3 實(shí)際案例與經(jīng)驗總結

    為了找出影響超聲波流量計精度的因素，在測量江蘇東南鋼鐵廠(chǎng)排水系統管道流量的時(shí)候，進(jìn)行了現場(chǎng)的試驗�？偨Y了一下幾點(diǎn)經(jīng)驗。

    （1）要有足夠長(cháng)的表前直管段長(cháng)度（如表1所示）。

    （2）管道幾何尺寸精確，管內結垢不能太厚。由流量與管徑的關(guān)系可知，管徑每存在1%的誤差，就會(huì )產(chǎn)生約3%的流量測量誤差。因此，使用超聲波流量計時(shí)，必須將壁厚測量精確。

    管道結垢，不但造成管徑誤差，還會(huì )使聲波發(fā)生散射，降低超聲波流量計的測量精度。結垢過(guò)厚時(shí)，儀表甚至不能工作。表2為管道結垢對流量測量的影響計算表。

     對于有的管道結垢已非常嚴重，可以先把換能器拿下來(lái)，用手錘敲敲安裝換能器的部位，水垢收到震動(dòng)后會(huì )局部掉落下來(lái)，再把換能器安裝在管道上測試，如果還不行，只有建議單位將測量段管道更新為不銹鋼管道。

    （3）在儀表的上游的管道上設置排氣閥

    輸水管道中有空氣是普遍存在的問(wèn)題，源水管道中氣體含量更大。管道中的氣體占據管道有效截面積，使流量測量產(chǎn)生誤差。如果管道中氣體過(guò)多，會(huì )使超聲波發(fā)生散射而使儀表不能工作。因此，在儀表上游安裝排氣閥是必要的。

    排氣閥的位置應安裝在儀表上游30D以上處，每隔一定時(shí)間就應排氣一次。在東南鋼鐵廠(chǎng)D_N600和D_N900兩管道做試驗發(fā)現，在沒(méi)有安裝排氣閥時(shí)，流量計約多計水量9%～10%。

    （4）管道中的流體沒(méi)有充滿(mǎn)管道

    當換能器在管道上安裝好后，流量計接收的強度信號在熒幕上仍沒(méi)有顯示，而其他預顯程序正常時(shí)，說(shuō)明管道中流體沒(méi)有充滿(mǎn)管道。

    4 結束語(yǔ)

    通過(guò)對基本原理的了解和現場(chǎng)試驗的經(jīng)驗總結，再次對東南鋼鐵廠(chǎng)的排水系統測量流量，通過(guò)與已校準的在線(xiàn)流量計的對比，發(fā)現當考慮了以上干擾精度的因素和采用合適的安裝方法后，測量精度由第一次的±1.67%提高到±0.81%，滿(mǎn)足了測試精度的要求。

    參考文獻

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