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便攜式超聲波流量計(jì)用于現(xiàn)場(chǎng)管道流量測(cè)量的分析
現(xiàn)在盛行的便攜式超聲流量計(jì)使用方便靈活,一般適用于測(cè)量大口徑管道的流量,然而現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際測(cè)量精度,常因工作疏忽,換能器安裝距離及流通面積等 測(cè)量的誤差而造成精度下降。不正確的安裝甚至?xí)沟脙x表*不能工作。因此,儀表現(xiàn)場(chǎng)的安裝與調(diào)試對(duì)于測(cè)量是非常重要環(huán)節(jié),本文就現(xiàn)場(chǎng)使用超聲波流量計(jì)所 遇到的問題進(jìn)行分析,總結(jié)出管道流量測(cè)量的方法。
一、超聲波流量計(jì)的原理
超聲流量計(jì)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,通過接收和處理穿過流體的超聲波信息就可以檢測(cè)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、大流量及各類明渠、暗渠的測(cè)量困難的問題;②對(duì)介質(zhì)幾乎無要求;③測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、密 度、粘度等參數(shù)的影響;④測(cè)量范圍度寬,一般可達(dá)20∶1。
時(shí)差法[1]測(cè)量是在被測(cè)流體內(nèi)由兩對(duì)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(cè)量其傳播的時(shí)間差△t?! ?/span>
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,也稱聲程;c——被測(cè)流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度;u——被測(cè)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(yuǎn)大于流體流速u,故可認(rèn)為c2-u2≈c2,故
即
由上式可見:當(dāng)超聲波在靜止流體中的傳播速度可認(rèn)為常數(shù)時(shí),流體流速就與時(shí)間差△t成正比,測(cè)量△t即可得到流速,進(jìn)而求得流量。
二、超聲波流量計(jì)的安裝與調(diào)試
一般,超聲波流量計(jì)的安裝應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮:①詳細(xì)了解現(xiàn)場(chǎng)情況;②確定安裝方式;③選擇安裝管段;④計(jì)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;⑦用示波器觀察接收波形,微調(diào)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(dāng)管道內(nèi)徑為D時(shí)上游直管段長(zhǎng)度應(yīng)大于10D,下游大于5D。當(dāng)上游有泵、閥門等阻力件時(shí),直管段長(zhǎng)度至少應(yīng)有30~50D,有時(shí)甚至要求更高,如距泵房要求70~100m。當(dāng)采用雙聲道或多聲道測(cè)量時(shí),表前直管段可以有明顯縮短。
不同形式阻流件應(yīng)配置的直管段長(zhǎng)度列于表1所示。
(2)正確選擇安裝方式[3]
當(dāng)流體平行于管軸流動(dòng)時(shí),通??捎脠D1中的透過法(Z法)安裝能獲得較好的精度。但當(dāng)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(yīng)采用圖1中的反射法(V法)或者采用2V法安裝。對(duì)于已配置好的流體管道,特別是測(cè)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(cè)量誤差的場(chǎng)合,比較合適的措施是增加測(cè)量線,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(cè)量誤差。增加測(cè)量線時(shí),換能器的安裝應(yīng)使超聲波傳播途徑均勻地置于流通截面上。一般認(rèn)為有4條測(cè)量線(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(yīng)根據(jù)具體的測(cè)量方式依據(jù)說明書上的步驟進(jìn)行,各種測(cè)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(yīng)用的透過法(Z法)的換能器安裝為例,說明一對(duì)換能器的安裝距離的確定方法。
一對(duì)換能器的安裝有個(gè)基本原則,稱為距離法[4]:就是發(fā)射換能器與接收換能器應(yīng)在管道的半圓平分線上(對(duì)于V法,則在同一半圓基線上),并根據(jù)實(shí)際的管道內(nèi)徑,壁厚及被測(cè)流體的性質(zhì),參數(shù)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(zhǔn)確。其計(jì)算公式:
h=2δ tanθ2+D tanθ3
其中:δ——管壁厚;D——管內(nèi)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(jì)顯示儀表一般都有計(jì)算安裝距離的功能,只要將管道材料、管徑、壁厚、等管道參數(shù),流量計(jì)就能計(jì)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(dāng)管道條 件不好時(shí),如由于使用時(shí)間太長(zhǎng),結(jié)垢嚴(yán)重,又不知結(jié)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(duì)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(cè),將另一只換能器涂上黃油在管道的另一側(cè)沿上,下,左,右方向移動(dòng),觀察顯示儀表的循環(huán)顯示燈或數(shù)字,當(dāng)循環(huán)顯示燈亮了或有數(shù)字顯示,則微動(dòng)換能器,觀察渡越時(shí)間,當(dāng)渡越時(shí)間接近所給定的數(shù)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(shù)穩(wěn)定時(shí),說明換能器已安裝好。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(yīng)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(yīng)避免引起電壓波動(dòng),使用環(huán)境溫度亦應(yīng)在說明書中的范圍之內(nèi),除特殊密封儀表外,應(yīng)安裝在無腐蝕性的環(huán)境中。
(2)連線長(zhǎng)度
儀表與換能器之間的連線應(yīng)用屏蔽線,連線長(zhǎng)度按說明書要求,一般不超過500m,但在發(fā)電廠,由于干擾較大,連線長(zhǎng)度一般不超過100m。
三、 實(shí)際案例與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
為了找出影響超聲波流量計(jì)精度的因素,在測(cè)量江蘇東南鋼鐵廠排水系統(tǒng)管道流量的時(shí)候,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)??偨Y(jié)了一下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。
(1)要有足夠長(zhǎng)的表前直管段長(zhǎng)度(如表1所示)。
(2)管道幾何尺寸,管內(nèi)結(jié)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(cè)量誤差。因此,使用超聲波流量計(jì)時(shí),必須將壁厚測(cè)量。
管道結(jié)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(jì)的測(cè)量精度。結(jié)垢過厚時(shí),儀表甚至不能工作。表2為管道結(jié)垢對(duì)流量測(cè)量的影響計(jì)算表。
對(duì)于有的管道結(jié)垢已非常嚴(yán)重,可以先把換能器拿下來,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,再把換能器安裝在管道上測(cè)試,如果還不行,只有建議單位將測(cè)量段管道更新為不銹鋼管道。
(3)在儀表的上游的管道上設(shè)置排氣閥
輸水管道中有空氣是普遍存在的問題,源水管道中氣體含量更大。管道中的氣體占據(jù)管道有效截面積,使流量測(cè)量產(chǎn)生誤差。如果管道中氣體過多,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(yīng)安裝在儀表上游30D以上處,每隔一定時(shí)間就應(yīng)排氣一次。在東南鋼鐵廠DN600和DN900兩管道做試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在沒有安裝排氣閥時(shí),流量計(jì)約多計(jì)水量9%~10%。
(4)管道中的流體沒有充滿管道
當(dāng)換能器在管道上安裝好后,流量計(jì)接收的強(qiáng)度信號(hào)在熒幕上仍沒有顯示,而其他預(yù)顯程序正常時(shí),說明管道中流體沒有充滿管道。
四、本文結(jié)語
通過對(duì)基本原理的了解和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),再次對(duì)東南鋼鐵廠的排水系統(tǒng)測(cè)量流量,通過與已校準(zhǔn)的在線流量計(jì)的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮了以上干擾精度的因素和采用合適的安裝方法后,測(cè)量精度由*次的±1.67%提高到±0.81%,滿足了測(cè)試精度的要求。(本文由潤(rùn)中儀表科技有限公司整理發(fā)布)