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超聲波流量計工作原理及常見問題概述
Updated:2019-7-4 9:51:15 Browse:1832 Close window Print this page
 [導讀] 超聲流量計是一個測量儀表,它利用聲學原理來測定流過管道的流體的流速。在氣體的測量現場主要的檢測元件包括一對或幾對超聲傳感器。這些傳感器都安裝在管壁上,每一組傳感器的表面都彼此具有規定的幾何關系。
 
一、工作原理
 
1、 概述
 
超聲流量計是一個測量儀表,它利用聲學原理來測定流過管道的流體的流速。在氣體的測量現場主要的檢測元件包括一對或幾對超聲傳感器。這些傳感器都安裝在管壁上,每一組傳感器的表面都彼此具有規定的幾何關系。
 
由一個傳感器發射的超聲脈沖由同一組內另一個傳感器接收,反過來也如此。Q.SoNIc-3 采用了一個單反射聲道的方案,在對面的管壁處聲脈沖有一次反射。此方案使聲道的總長度增加,從而能改善分辨率(靈敏度)并拓寬流量計的范圍度,如圖2-1所示。
 
 
 
 
 
 
圖2-1 信號反射路徑
 
2 、流速的測量
 
超聲脈沖穿過管道從一個傳感器到達另一個傳感器,就像一個渡船的船夫在橫渡一條河。當氣體不流動時,聲脈沖以相同的速度(聲速,C)在兩個方向上傳播。如果管道中的氣體有一定流速V(該流速不等于零),則順著流動方向的聲脈沖會傳輸得快些,而逆著流動方向的聲脈沖會傳輸得慢些。這樣,順流傳輸時間tD會短些,而逆流傳輸時間tU會長些。這里所說的長些或短些都是與氣體不流動時的傳輸時間相比而言;這樣就有:
 
L
 
tD = ——————— -------------- (2.1)
 
C + V • cos?
 
 
L
 
tU = ——————— -------------- (2.2)
 
C — V • cos?
 
式中,L代表兩個傳感器之間聲道的直線長度,可按下式確定L:
 
L D
 
—— = ———— -------------- (2.3)
 
2 sin?
 
^
 
采用電子學手段來測量此傳輸時間。根據時間倒數的差,可按下式計算流速V
 
^ L 1 1
 
V = ————(—— — ——)-------(2.4)
 
2cos? tD tU
 
一般說來,沿管道橫截面的流速并不是一個固定不變的常量。在流過很長圓管的定常無渦流的流體中,流速僅是徑向位置的函數。通常稱此函數為充分發展的速度分布(剖面),可以用如下的半經驗冪律公式來近似它:
 
1
 
V(r)=Vmax(1— ——) n -------------(2.5)
 
R
 
式中,r是在半徑上的位置,R是管道的半徑,n是雷諾數Re和管內壁粗糙度的函數。對于光滑管道,可按下式來計算n:
 
Re
 
n=2log10(——)— 0.8 ---------------(2.6)
 
n
 
按(3.4)式計算的流速是沿聲道的線積分:
 
1
 
VL= —— ?L V(r)dL ----------------------(2.7)
 
L
 
換句話說,由儀表所測得的流速是在聲道方向上流體速度分量沿聲道的平均值。通常用戶感興趣的是流體沿管道橫截面S的平均流速Vm:
 
1
 
Vm= —— ??sV(r)ds ------------------(2.8)
 
S
 
如果V僅有一個垂直于S的速度分量,那么可根據下式來計算Vm:
 
Vm=Kc • VL ----------------(2.9a)
 
式中Kc代表所謂修正因子,它由下式來定義
 
1
 
—— ??V(r)ds
 
S
 
Kc = ——————— ------------(2.10)
 
1
 
—— ?V(r)dL
 
L
 
一旦V(r),L和S已知,修正因子就可以被計算出來。由于V(r)是雷諾數Re的函數,因此修正因子也是Re的函數。
 
Check Sonic “系列II”(Series-II)型流量計以具有一個“調整因子”,fadjust為特色。在進行流量校準(標定)后,可利用它對流量計進行調整,或者是根據一個具有已知或可接受精度的參比量對輸出進行調整時,也需利用它。從1998年元月1日后發運的所有流量計都已具備該特點。在計算平均流速Vm時,已同時采用了調整因子:
 
Vm=fadjust • Kc • VL ---------------(2.9b)
 
3、 體積流量的計算
 
在管道流動狀況下的體積流量QLine按速度分布修正后的氣體的平均流速Vm乘以測量管的內橫截面的面積A:
 
?D2
 
QLine = Vm • A = Vm • —— -----------(2.11)
 
4
 
在標準狀況下的體積流量QBase按下式計算:
 
Zo P To
 
QBase = —— • —— • —— • QLine -------------(2.12)
 
Z Po T
 
式中:
 
Zo,Po,To是在標準(或參比)狀況下氣體的壓縮因子,絕對壓力和絕對溫度;
 
Z,P,T是在管道流動(或計量)條件下氣體的壓縮因子,絕對壓力和絕對溫度。
 
4 、超聲波流量計的應用
 
超聲波流量計在應用中,需要注意以下幾個方面的問題:
 
4.1 正確選擇
 
這是超聲波流量計能夠正常工作的基礎。如果選型不當,或會造成流量無法測量,或者用戶使用不做便等后果。具體選型原則,前面已做了詳細的介紹。
 
4.2 合理安裝
 
換能器安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個問題。確定位置時除保證足夠的上、下游直管段外,尤其要注意換能器盡量避開有變頻調速囂、電焊機等污染電源的場合。在安裝方式上,主要有對貼安裝方式和V方式、Z方式三種,如圖3。多譜勒式超聲波流量計采用對貼式安裝方式,時差式超聲波流量計采用V方式和Z方式,通常情況下,管徑小于300mm時,采用V方式安裝, 管徑大于200mm時,采用Z方式安裝。對于即可以用V方式安裝又可以方式安裝的換能器,盡量選用Z方式。實踐表明,Z方式安裝的換能器超聲波信號強度高,測量的穩定性也好。
 
 
 
 
 
 
4.3 及時核校
 
對于現場安裝固定式超聲波流量計數量大、范圍廣的用戶,可以配備一臺同類型的便攜式超聲波流量計,用于核校現場儀表的情況。一是堅持一裝一校,即對每一臺新裝超聲波流量計在安裝調試時進行核校,確保選位好、安裝好、測量準;二是對在線運行的超聲波流量計發生流量突變時,要利用便攜式超聲波流量計進行及時核校,查清流量突變的原因,弄清楚是儀表發生故障還是流量確實發生了變化。
 
二、超聲波流量計使用中常見問題:
 
1、 超聲波流量計探頭使用一段時間,會出現不定期的報警。尤其是輸送介質雜質較多時,這種問題會較常見。解決辦法:定期清理探頭(建議一年清理一次)。
 
2、 超聲波流量計輸送介質含有水等液體雜質時,流量計引壓管容易產生積液,氣溫較低時會出現引壓管凍堵現象,尤其在北方地區冬季較常見。解決辦法:對引壓管進行吹掃或加電伴熱
 
附 各種參數或變量的定義:
 
A 管道或流量計的橫截面積;
 
C 聲速;
 
D 管道或流量計的內(直)徑;
 
Fadjust 調整系數(通常是根據流量標定結果來確定);
 
KC 修正系數(與雷諾數Re 有關);
 
KZ 一個恒定不便的壓縮因子;
 
L 在一對傳感器(超聲探頭)之間聲道的長度(聲程);
 
P 在管道流動條件下的絕對壓力(絕壓);
 
PO 在基準(參比)條件下的絕對壓力(絕壓);
 
Qline 在管道流動條件下的體積流量(實際體積流量);
 
QBase 修正到基準(參比)條件下的體積流量;
 
S 管道的橫截面;
 
T 在管道流動條件下的絕對溫度;
 
TO 在基準(參比)條件下的絕對溫度;
 
TD 聲音從上游探頭到下游探頭的傳輸時間;
 
TU 聲音從下游探頭到上游探頭的傳輸時間;
 
V 氣體的流速;
 
VL 沿聲道的平均流速;
 
Vm 氣體的平均流速(在管截面上的平均流速);
 
V(r) 沿管道半徑在某點處的流速;
 
Z0 在基準(參比)條件下的壓縮因子;
 
Z 在管道流動條件下的壓縮因子;
 
? 在管道軸線與聲道之間的夾角
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