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1 測量原理
超聲波測量封閉管道流量的方法根據(jù)檢測原理可分為多種,主要有時差法、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因流體流動而產(chǎn)生的偏移程度來反映流速或流量值[1]。
便攜式超聲波流量計采用的是時差法進行測量,聲波在流體中傳播,順流方向聲波傳播速度會增大,逆流方向則減小,同一傳播距離就有不同的傳播時間,利用傳播時間之差與被測流體流速之間的關系可求取流體流速,計算出流體流量。其測量原理如圖1所示。
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,無需管道斷流,安裝簡單、使用方便。測量時,晶體發(fā)出的聲波通過聲楔、耦合劑、管道壁、襯里等物件傳到被測流體。
在測量時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度。
當以上這些數(shù)據(jù)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,采用V法安裝,管徑大于200mm或接收到的信號較弱時,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。實踐表明,Z法安裝的換能器超聲波信號強度高,測量的穩(wěn)定性也好。當管道直徑非常小,在DN80以下時,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,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,否則聲波會在固、氣界面上發(fā)生折射,無法傳到被測流體。
換能器前后要有足夠長的直管段,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(nèi)不能裝泵、閥等擾動設備。換能器安裝在傾斜和水平管道上時,不要裝在上部或底部,以免管道內(nèi)的氣體或雜質(zhì)進入測量聲道。換能器的安裝要使超聲波傳播途徑通過管道中心[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,對其進行實流測試,由測試數(shù)據(jù)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(xiàn)場安裝使用時,因受現(xiàn)場條件、介質(zhì)狀態(tài)、管道數(shù)據(jù)及安裝的影響,測量精度略有降低,但測量誤差不應超過其實際流量的士5%,因此,使用便攜式超聲波流量計對在線流量計進行在線比對是可行的。
4 在線測量中易出現(xiàn)的問題及對策
如果便攜式超聲波流量計安裝啟動后,出現(xiàn)輸出時有時無,且誤差大的現(xiàn)象,有以下幾種可能。
(1)換能器的安裝距離不對。此時需檢查換能器的安裝距離與主機計算出的數(shù)據(jù)是否一致,輕微調(diào)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(shù)有誤。此時需要對參數(shù)重新進行核實。
(3)換能器的安裝位置不對。換能器安裝時應避開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(wěn)定的信號。
(5)管道內(nèi)部有結(jié)垢,凹凸不平。此時可以用手錘擊打測量點的管壁,如果接收到的信號強度不斷上升,則說明是管道內(nèi)壁結(jié)垢太厚引起的,可繼續(xù)擊打測量點,使接收的信號達到要求為止。
(6)附近有泵或有無線電波干擾。換能器的安裝需避開這些位置。
5 結(jié)論
綜上所述可以看出,便攜式超聲波流量計在實際應用中具有不可替代的優(yōu)勢:可實現(xiàn)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,無壓力損失;儀表無可動及易損部件,穩(wěn)定性好;適用范圍廣,可用于各種類型流量計的在線比對;適應性強,可用于不同管徑的比對;標準表價格基本與所測管徑無關,性價比高。
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,在實際應用中也存在著一些不足之處。
(1)要求用戶確定管道條件,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,會降低測量準確度。
(2)對管道內(nèi)壁要求較高,不能有腐蝕、結(jié)垢、結(jié)晶等現(xiàn)象,銹蝕會改變超聲波傳播路徑,襯里與內(nèi)管壁剝離的管道有氣體會嚴重衰減超聲波信號,襯里或結(jié)垢太厚的管道也會帶來較大的流量誤差。
(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,只可提供在線流量計的參考數(shù)據(jù)。
(5)主要用來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)過管壁折射后已無法滿足測量要求。
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