外夾裝傳播時(shí)間法超聲流量計應用準則

      0 引言

      外夾裝超聲流量計只要在既設管道外部夾裝換能器，即可作無(wú)侵擾非接觸測量，毋須對被測管道停流截管接入流量傳感器，或打孔插入檢測換能器，這是外夾裝超聲流量計在工業(yè)用流量?jì)x表中所具有的獨特優(yōu)點(diǎn)。既可作移動(dòng)性（即非定點(diǎn)固定安裝）測量，用作管網(wǎng)流動(dòng)狀況評估測定，或作為檢查已裝用其他流量?jì)x表測量準確性比對的參照流量值。

      外夾裝換能器超聲流量計有傳播時(shí)間法超聲流量計（transit time ultrasonic flowmeter，TTUF），多普勒法超聲流量計（doppler ultrasonic flowmeter，DUF），相關(guān)法超聲流量計（cross correlation ultrasonic flowmeter，CCUF）三種。本文在這三種外夾裝超聲流量計中僅討論TTUF，因為刑F最廣泛應用于各種潔凈液體。DUF只應用于含顆粒和氣泡的液體，且測量精度較低；CCUF通常只應用于雙相流體，尚處在初期階段，價(jià)格較貴，僅用于油井在線(xiàn)監控，一般應用尚缺乏吸引力。

      外夾裝刑TTUF的測量準確度不能簡(jiǎn)單地僅以?xún)x表制造廠(chǎng)聲稱(chēng)的儀表準確度來(lái)期望測量結果，要充分估計系統中各因素的影響。例如，安裝方面包括換能器的定位；測量管上下游管道狀況；管道工程方面包括尺寸、材質(zhì)、內壁粗糙度；流體方面包括潔凈度、粘度、密度、雷諾數范圍；運行操作方面包括聲束路徑布置、換能器夾裝、幾何尺寸測量；制造廠(chǎng)儀表規范方面包括是否具有雷諾數補償等。本文就這些問(wèn)題進(jìn)行討論。
     
      1 應用領(lǐng)域和性能

      夾裝式TTUF應用于清潔液體，液體中只能含有小于某限量的固體顆�；驓馀�。應用分固定永久性安裝和移動(dòng)臨時(shí)性安裝兩大領(lǐng)域。固定安裝常用于水行業(yè)、化學(xué)工業(yè)的不允許停流截管場(chǎng)所，半導體業(yè)的高純度液，化學(xué)工業(yè)的腐蝕液，食品和醫藥業(yè)的防污染和衛生要求液，各流程工業(yè)泵的運行保護等場(chǎng)所。臨時(shí)性外夾裝傳播時(shí)間法超聲流量計應用準則蔡武昌安裝應用于流程工業(yè)作為核對、維護管線(xiàn)上正在使用的流量?jì)x表的工具；在水行業(yè)用作管網(wǎng)流動(dòng)狀況的分析測定，管網(wǎng)檢漏，對固定安裝流量?jì)x表的核對，等等。

      儀表制造廠(chǎng)聲稱(chēng)外夾裝TTUF的準確度為測量值的1%~2% ，低流量時(shí)誤差以固定流速表示，為±（0.01~0.03）m/s。運行中測量系統的準確度因各影響因素遠近于此值，例如45°聲路角有1。偏差就會(huì )產(chǎn)生1.7%流量測量誤差，管內徑0.5% 尺寸，偏差會(huì )產(chǎn)生1%流量誤差。在現場(chǎng)十分細致的定位安裝，良好運行條件下，系統測量準確度可期望在測量值的2% ~5% 。若定位安裝粗糙（如管內徑不作測量?jì)H用名義尺寸），操作不細致，測量誤差可能超過(guò)10%。系統重復性可望達到1%。

      2 安裝影響

      單聲道TTUF無(wú)論在紊流充分發(fā)展流動(dòng)或流速分布畸變流動(dòng)，均敏感于流速分布變化。TTUF所測量的是聲束線(xiàn)平均流速v_b，而需要的是流通面積的面平均流速v_p•v_b與v_p間介入轉換系數K（=v_b/v_p），從v_b求取v_p，v_p=v_b/K，系數K不是常數，隨雷諾數而變。圖1所示是光滑管中K與Re的關(guān)系線(xiàn)^[1]。開(kāi)始流動(dòng)是層流，流速增加到達2300時(shí)為層流區，層流區K為常數， 從2300增加到4000，流動(dòng)從層流轉向紊流，K從0.75增加到0.93為過(guò)渡區，且轉換是隨機性的，很不穩定。Re超過(guò)4000K按經(jīng)驗公式K=1/（1.119-0.011LogRe）增加，Re從10⁴增加到10⁶時(shí)，從0.93增加到0.95，變化約2.2%。這一變化某些型號儀表具有補償功能。使用時(shí)要避開(kāi)Re=2300~4000的過(guò)渡區。

      若進(jìn)入TTUF的流動(dòng)狀態(tài)被上游擾流件所畸變，上述系數就不能再用，要按擾動(dòng)類(lèi)型引入額外的誤差。上游流態(tài)畸變流經(jīng)一定長(cháng)度直管可恢復到充分發(fā)展流態(tài)。制造廠(chǎng)常規定上游10D、下游5D長(cháng)度直管要求，以減緩上游擾動(dòng)影響。雖然對下游5D的要求還合適，上游10D就過(guò)于樂(lè )觀(guān)了。Hojolt的實(shí)驗表明上述要求明顯不足，圖2是單聲道儀表在若干擾流件下游不同距離的測量誤差；表1是儀表增加±2%附加誤差時(shí)所需離開(kāi)擾流件下游的距離^[4]。

表1 附加誤差小于±2%時(shí)所需與擾動(dòng)源的距離 

圖2 處于各擾動(dòng)源下游的誤差

      3 管道工程

      外夾裝TTUF的管道需要考慮管內徑準確尺寸、管壁厚度和粗糙度、管材質(zhì)、襯里和涂層等方面。

      ① 管道和襯里的尺寸和材質(zhì)雖有制造廠(chǎng)聲稱(chēng)外夾裝TTUF曾用于管徑大到6000mm小到8mm，但通常認為管徑不能過(guò)小，應大于50mm。制造廠(chǎng)大都對管壁厚度上限不作規定，但國外有某制造廠(chǎng)厚度上限規定為25mm。小管徑、管壁過(guò)厚將會(huì )引入值得注意的誤差。Baker則認為管徑D和管壁厚t的比D/t應大于15，D/t≥10還可以接受，D/t<10因超聲沿管壁傳送可能出現問(wèn)題，低的D/t值可能增加不確定度到±10%^[2]。

      綜合各制造廠(chǎng)稱(chēng)外夾裝TTUF曾使用良好的管材有鑄鐵，碳鋼、不銹鋼、銅、鋁，哈氏合金，石棉，混凝土，玻璃鋼，PVC、PP、ABS、PTEF等工程塑料等。但使用者的經(jīng)驗表明，有些制造廠(chǎng)的TTUF適用于其中若干種材質(zhì)，而另一些制造廠(chǎng)則不能。鑄鐵有疏松或細孔會(huì )減超聲；混凝土或水泥管可能會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題，但如被充分浸潤有時(shí)卻可較好地工作；還有經(jīng)歷過(guò)不銹鋼和玻璃鋼傳輸足夠信號困難的案例。

      若涂層或襯里與管壁粘結處存在氣隙，將阻礙有效超聲傳輸而無(wú)法工作。需要準確測量涂層或襯里厚度，要知道它們的傳播聲速。有些型號儀表因已錄寫(xiě)入聲速，只要輸入材質(zhì)名稱(chēng)即可。

      ② 管內壁粗糙度管內壁粗糙度對流量測量帶來(lái)四方面影響，即粗糙度對流速轉換系數，超聲波散射，聲波反射次數和估算管壁厚度的影響。

      充分發(fā)展流速分布受制于管壁粗糙度k，而流速分布影響流速轉換系數，也就影響了流量值。圖3所示是一組不同相對粗糙度k/D（D為內徑）下的K-Re關(guān)系線(xiàn)。從圖3中可以看到很粗糙的內壁（如碳鋼、鑄鐵管銹蝕疤癤），可能帶來(lái)4%的誤差。

      管內壁愈粗糙超聲散射愈嚴重，作為通則較粗糙的內壁采用較低的超聲波頻率。此外粗糙度高在聲道布置上還限制反射次數，例如較小管徑常采用多次反射（即W法），若相對粗糙度較大、散射嚴重而無(wú)法工作，只能改試一次反射（即V法），甚至放棄反射法改用直射（即Z法）。

      要知道管材的超聲波傳播性能。為求取準確換能器安裝間距，需要獲得超聲在管材中的聲速和管道尺寸。儀表產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)一般附有若干管材的公稱(chēng)聲速數據，但實(shí)際聲速隨著(zhù)成份（如不銹鋼1GrB為2990m/s，0Cr17 12Mo2為3175m/s）、狀態(tài)（如銅退火為2325m/s，冷軋為2270m/s）、壓力或應力、溫度而異。若不能確悉聲速�？捎贸�聲厚度計在同一材料已知厚度件上測定。

      4 流體因素

      ① 液體密度和粘度的影響圖1中討論到不同段的系數，而忍又是流速、液體粘度和密度、管道尺寸的函數，因此與粘度、密度有關(guān)，應用時(shí)要核對是否已避開(kāi)過(guò)渡區。特別在測量小管徑高粘度液體時(shí)更應關(guān)注。

      ② 液體聲速使用外夾裝刑TTU在初裝調試階段要由用戶(hù)輸入液體聲速，作為設置換能器間隔距離的一個(gè)步驟。按照不同儀表設計類(lèi)型，有些以此聲速定義儀表的流量公式，有些從傳播時(shí)間估算新的聲速。后一功能可補償受液體溫度影響引起的變化。要儀表正確地運行，換能器間距和聲速的準確性是十分重要的。有時(shí)液體的確切聲速不清楚，可請制造廠(chǎng)測定。

      ③ 氣泡和顆粒的影響氣泡使超聲散射，同時(shí)因液體含氣泡后會(huì )產(chǎn)生壓縮性而影響在液體中的聲速。氣泡還使儀表的信號衰減和信噪比下降，散射和衰減程度取決于氣泡含量、尺寸和分布。某制造廠(chǎng)提供典型能繼續工作的氣體含量為<10% ，然而對氣泡尺寸一般未規定。顆粒會(huì )散射超聲，過(guò)去普遍認為顆粒含量應小于1%①，但隨著(zhù)檢測技術(shù)的提高，有些型號儀表含量允許高達≤4%0。低密度顆粒的粒子直徑小于λ/8（λ=聲波長(cháng)度），對儀表幾乎沒(méi)有影響。

      ④ 高衰減液體的局限通常高粘度液體伴隨著(zhù)高幅度的超聲衰減。例如20℃ 水（運動(dòng)粘度1.003×10^-6m²/s）在1MHz時(shí)壓力波衰減0.22dB/m，而運動(dòng)粘度為1.1×10^-2m²/s的蓖麻油在1MHz時(shí)衰減高達95dB/m。高粘度液體的衰減可能導致妨礙儀表正確運行。這一故障現象通常會(huì )被儀表電子部分檢測出來(lái)。粘度衰減程度通常是聲波頻率的函數，降低儀表工作頻率有時(shí)可使之正常工作。

      制造廠(chǎng)曾有應用刑TTUF于某些高粘度液體失敗的經(jīng)歷，例如高濃度磷酸，30%以上氫氧化鈉，原油、蓖麻油、漆等。

      5 操作運行

      ① 聲波在液體中傳送方式和換能器布置  外夾裝刑F的聲波在液體中傳送方式有三種，即直接透射（Z法）、一次反射（V法）和多次反射（W法）。三種方法中主要使用Z法和V法，較少使用W 法。Z法用于大管徑，聲程比其它方法短，信號損失小，然而正確安裝、測量換能器間距和準直較為困難；V法聲程較，可得較佳時(shí)間分辨能力，受旋轉流影響小，兩換能器安裝在管道同側，定位準直和測量間距容易準確；W法用于小管徑以增加聲程。

      在水平管道上換能器最好裝在管道截面積“3或9點(diǎn)鐘”的位置，這樣可避免安裝“12或6點(diǎn)鐘”位置時(shí)液中氣泡集源于頂部，顆粒沉于底部流動(dòng)給測量帶來(lái)影響。

      ② 換能器定位  定位方法按換能器設計和聲波傳送方法而定。大部分換能器用如鋼帶（絲）等鎖緊機構定位，安裝于測量好的相隔距離位置。制造廠(chǎng)還常提供“校準軌道”，以幫助測量距離和定位。

      如置于預定位置卻沒(méi)有信號，有些制造廠(chǎng)建議實(shí)施稱(chēng)作“掃描”的操作步驟。移動(dòng)兩換能器相對位置直到找到信號，或信號從弱變強。兩換能器開(kāi)始相距遠一些，然后相向漸漸靠近的方法，較之開(kāi)始相距較近再相背遠離掃描為佳。如果通過(guò)掃描才有信號，說(shuō)明管直徑、壁厚、材料和液體的參數等可能設定有誤，從而原定位置找不到，因為“正確位置”只有一個(gè)。

      ③ 從安裝調試獲悉流動(dòng)狀態(tài)  流速分布畸變的流動(dòng)和旋轉流很大程度上干擾測量準確度。應按上文所述要求，儀表與上下游擾動(dòng)源相隔相當距離。不管怎樣，采用下述一些方法可獲悉大體流動(dòng)狀態(tài)，取得最佳效果。

      沿著(zhù)管圓周移動(dòng)兩換能器，核對所測得不同位置的流速，最大流速可能是最接近實(shí)際的平均流速，因為在最不對稱(chēng)位置時(shí)的平均流速讀數最低。這是所有發(fā)表實(shí)驗報告論據所建議的評估方法。從不同位置所測得流速還可估量不對稱(chēng)流速分布的狀況和不對稱(chēng)程度。

      比較Z法和V法各自測得的流速，如果兩者相差很大，表明存在嚴重橫向流動(dòng)，也就是有旋轉流的跡象。應給予注意。

      ④ 耦合劑和管表面處理  耦合劑使超聲在換能器和管壁接觸表面有可靠的傳輸。長(cháng)期（固定）安裝和短期（移動(dòng)）安裝應用不同的耦合劑。長(cháng)期應用型耦合劑基本上是阿拉提膠（Araldites）和不加填料的環(huán)氧樹(shù)脂（填料會(huì )散射超聲）。永久性固定安裝耦合劑需定期檢查，檢查周期按其類(lèi)型由供應商規定，也可用有診斷功能的TTUF本身檢查何時(shí)應予調換。

      短期應用型耦合劑有硅脂、車(chē)軸脂等，要保證它們不干枯，推薦擠出3~4mm厚約5mm直徑耦合劑沿著(zhù)換能器然后壓向管壁。

      在處置耦合劑前還應作好下述預處理措施和注意事項：

      a 安裝換能器區的管外壁要始終清潔、無(wú)油脂，若有涂層等覆蓋層必須去除之，特別對含有纖維和金屬網(wǎng)的覆蓋層。

      處理管壁時(shí)要保持管道原有圓周線(xiàn)輪廓。因為要保持換能器表面和管道軸平行，因為1°角度誤差可能改變1%~2%的聲程長(cháng)度。

      b 不要應用過(guò)量耦合劑，必須十分小心以防止過(guò)度鋪開(kāi)和混合耦合劑時(shí)進(jìn)入空氣。多粉塵多絮狀物環(huán)境下要十分注意防止其混入，因粉塵和絮狀物會(huì )減小耦合作用，且易使耦合劑干枯。

      c 如管壁有凹坑，用足量耦合劑填滿(mǎn)之，形成完整的聲路。若是塑料管，略為打毛表面以保證環(huán)氧樹(shù)脂等耦合劑粘附。

      ⑤ 液體溫度  液體溫度會(huì )有幾方面的影響，即影響在液體中的聲速，液體密度和粘度，以及由這些而影響雷諾數和流速分布。若流程中液體溫度預期是有變化的，儀表應具備補償功能。此外，液體溫度也左右著(zhù)耦合劑的選擇。低溫和高溫還要選用專(zhuān)用換能器，溫度增加會(huì )降低某些保護壓電晶體封裝材料的聲透射性。溫度過(guò)高將降低壓電晶體的有效性甚至停止工作。有能用于測量-190~+500℃ 的專(zhuān)用換能器，但標準換能器的典型溫度范圍為-40~+100℃。有些高溫用換能器采取裝在經(jīng)金屬耦合體接續的長(cháng)緩沖棒末端。

      要注意不同溫度條件下耦合劑的選擇和應用，非正常運行條件要向耦合劑供應者咨詢(xún)。水基耦合劑在高溫下將被蒸發(fā)，在低溫下被冰凍和改變性能；油基耦合劑在高溫下將會(huì )流淌，在低溫下有些耦合劑會(huì )改變性能。

      ⑥ 管道尺寸和發(fā)射頻率所有型號夾裝式TTUF可用多種規格換能器，以支持寬范圍管道尺寸。頻率1MHz換能器是標準型號，適用管徑范圍50~2000mm；2MHz用于小于100mm到10mm較小管徑；0.5MHz用于約為500~5000mm管徑。

      一般地說(shuō)流體中含有氣泡或顆粒建議采用較低頻率；同樣，若聲波穿透管壁存在困難也是趨向于采用較低頻率。

      ⑦ 管內徑和壁厚測量  前文提到管內徑的重要性，管內徑測量的不確定度是流量測量不確定度的主要組成部分。通常測量管內徑的步驟為：

      管壁除用作計算內徑外，還與管材質(zhì)一起計算換能器定位位置，因此還影響聲程聲速測量。壁厚可以多種途徑獲悉：a從設計圖紙或管規格獲悉，此法最方便但很不準確。因為管名義尺寸有相當幅度公差范圍，例如，DN200~DN500熱軌無(wú)縫鋼管，用名義壁厚計算流通面積有可能與實(shí)際相差±（1~1.25）% ；b用超聲測厚儀實(shí)測壁厚，但本辦法對有襯里管道則不能辨別厚度是否包括襯里層，若測厚儀是能反應出有差別的反射，則對熟練操作者在辨別上可能有些幫助；c鉆小孔插入厚度規或直接直徑測量?jì)x。

      6 儀表性能規范

      儀表性能規范方面主要是要向制造廠(chǎng)了解擬用TTUF是否有雷諾數修正和聲速修正，有哪些診斷功能。

      ① 雷諾數修正如圖1所示系數隨而變，有些型號具有修正功能而有些沒(méi)有。修正是基于對特定被測液體特性和工況條件的了解。若液體在測量過(guò)程中溫度有顯著(zhù)變化，就必須要具備在線(xiàn)修正功能。應向制造廠(chǎng)詢(xún)問(wèn)或查閱產(chǎn)品樣本、使用說(shuō)明書(shū)，擬用儀表是否有本功能。

      ② 聲速修正所有型號外夾裝TTUF要求用戶(hù)在初始設置階段輸入聲速或液體名稱(chēng)及其溫度，作為計算兩換能器間隔距離的一個(gè)步驟。有些型號儀表在以后測量過(guò)程中繼續利用此數據，而另一些則另行“在線(xiàn)”測量工作條件下在液體中的聲速。若被測液體在運行過(guò)程中溫度變動(dòng)具有不容忽視的聲速影響，應向制造廠(chǎng)詢(xún)問(wèn)是否具備聲速修正功能，采用什么方法。
     
      ③ 診斷功能幾乎所有型號TTUF均有換能器接收信號強度指示，信號強度再結合自動(dòng)增益控制以補償聲波在管壁和液體中的衰減。當換能器間距顯露出不正確狀態(tài)時(shí)，信號強度指示還可幫助掃描尋找正確位置。

      另一診斷功能是利用測量相位時(shí)，測量接收信號的信噪比，給出可信的測量品質(zhì)指示。

      大部分儀表測量系統是基于微處理器組成的，儀表均有各種各樣診斷硬件和軟件的功能。這些功能因型號而異，應向潛在供應商詢(xún)問(wèn)功能范圍。

      參考文獻

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