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超聲波流量計的原理與應用



  超聲波流量計在工業上具有廣泛應用, 具有適合大口徑測量、安裝維修方便、通用性好等諸多優點。文章介紹了超聲波流量計硬件組成, 分析了超聲波流量計的工作原理和傳感器的幾種安裝方式, 闡述了超聲波流量計在選型、安裝、調試過程中的注意事項。
在工業生產過程控制中, 流量是一項重要的基礎數據。流量測量通過流量計實現, 根據測量原理, 流量計可分為質量流量計、節流式流量計、容積式流量計、電磁流量計渦街流量計、超聲波流量計等類別。其中, 在測量大口徑管線介質流量時, 超聲波流量計的應用最為廣泛。在中國石油錦州石化公司, 新水、循環水流量大多使用超聲波流量計進行測量。這種流量計安裝維修方便、通用性強, 在生產數據統計、節能降耗管理中具有廣泛應用。
1、超聲波流量計的工作原理:
1.1、硬件組成:
  通常超聲波流量計的測量系統由傳感器 (換能器) 和變送器 (流量顯示累積系統) 2部分組成。傳感器為鑄鐵酸鉛壓電元件, 利用壓電效應, 通過傳感器發射并接收聲波。介質流動時, 對聲波產生影響, 通過檢測產生的影響情況, 計算出流量大小。
按照傳感器的安裝方式, 常見的超聲波流量計可分為插入式、外夾式和便攜式3種類型。插入式超聲流量計采用陶瓷傳感器, 使用專用鉆孔裝置進行不停產安裝, 一般為單聲道測量。外夾式超聲流量計采用專用耦合劑安裝, 安裝時不損壞管路, 能夠完成固定和移動測量。便攜式超聲波流量計便攜使用, 內置可充電鋰電池, 配接磁性傳感器, 適合移動測量, 常用來進行流量標定。
1.2、測量基本原理:
  超聲波流量計的傳感器有2只, 在工作時, 2只傳感器互相發射、接收超聲波信號。通過數字處理技術以及時差探測法, 測量出流體流速對超聲波信號傳輸時間產生的影響, 如圖1所示。
圖1 超聲波流量計測量基本原理圖
圖1 超聲波流量計測量基本原理圖
 
  我們將上游傳感器探頭T1發射的超聲波信號被下游傳感器探頭T2接收的時間記為t1, 將下游傳感器探頭T2發射的超聲波信號被上游傳感器探頭T1接收的時間記為t2。當管線介質靜止時, t2-t1=0。當管線介質流動時, 流體流速對超聲波信號的傳輸產生影響, 導致上游到下游的超聲波信號傳輸速度加快, 下游到上游的超聲波信號傳輸速度減慢, 即t2-t1=Δt。通過兩個信號之間的時間差計算得到流體流速, 再乘以管線橫截面積, 即計算得出流體的體積流量[1]。
流體流速的基本計算公式為:
計算公式
 
  式中:v為流速;k為標定系數;Δt為上下游傳感器信號接收的時間差;t為測量得出的超聲波穿過流體的平均時間。
1.3、安裝與調試:
1.3.1、Z法安裝:
  Z法安裝即單行程測量, 指聲波只經過一個聲程就已完成測量, 可以獲得較強的信號, 如圖2所示。
圖2 Z法安裝示意圖
圖2 Z法安裝示意圖
1.3.2、V法安裝:
  V法安裝即雙行程測量, 是指兩只傳感器同向安裝, 聲波經對側管道反射后接收, 共有2個聲程, 如圖3所示。
圖3 V法安裝示意圖
圖3 V法安裝示意圖
 
1.3.3、W法安裝:
  W法安裝即多行程測量, 泛指經過3個或3個以上聲程的測量方法, 優點是可以獲得較高的測量精度, 缺點是信號較弱, 只適用于管道條件較好的情況, 如圖4所示。
圖4 W法安裝示意圖
圖4 W法安裝示意圖
 
2、超聲波流量計的主要優點:
2.1、安裝維護方便:
  超聲波流量計傳感器直接安裝在工藝管線外壁上, 不需要法蘭、縮徑、副線等, 對管線內介質流動不產生任何影響, 方便安裝、調試、拆卸, 方便日常維護。
2.2、通用性能較好:
  由于超聲波流量計安裝不需要打開工藝管線, 故同一臺超聲波流量計可以安裝在不同管徑的工藝管線上, 具有較好的通用性[2]。
2.3、測量范圍較大:
  從測量口徑方面, 需要打開管線安裝的流量計, 口徑通常在DN500以下, 而超聲波流量計可測量DN2000管線內的流體流量;從量程方面, 超聲波流量計的測量范圍廣, 優于其他類型的流量計。
2.4、應用范圍廣泛:
  超聲波流量計傳感器不直接接觸工藝介質[3], 所以對于強腐蝕性、有毒有害、非導電介質等, 超聲波流量計同樣適合。
3、超聲波流量計的安裝與調試:
3.1、超聲波流量計的安裝條件:
  根據超聲波流量計的工作原理, 可以看出, 電磁干擾和渦流對測量精度有很大影響。故此, 安裝時應避免這兩項干擾。通常安裝位置應具備以下條件。
(1) 直管段充分, 安裝位置上游直管段大于10D, 下游直管段大于5D[4]。
(2) 安裝位置距上游水泵距離大于30D。
(3) 流量計傳感器、變送器、連接電纜等各部分應遠離水泵等具有強磁場和強振動的機器設備[5]。
(4) 傳感器安裝位置的管壁薄厚均勻、材質致密, 便于超聲信號傳播。
(5) 確保流體充滿管道, 避免出現氣泡、雜質。在豎直管道安裝時, 選擇流體自下而上流動的管道。
(6) 便于人員操作、檢修、維護。
3.2、超聲波流量計的調試:
  流量計安裝到位后, 在正式啟動之前, 要進行參數設置, 包括安裝方式、管道直徑、管道壁厚、管道材料、介質類型、探頭間距、測量量程、計量單位等。遠傳至DCS的超聲波流量計, 還要進行信號聯校, 確保流量數據能準確傳輸到DCS。
  超聲波流量計要定期進行檢查, 檢查傳感器與管線的連接是否緊密, 檢查流量測量信號是否穩定。條件具備時, 可使用便攜式超聲波流量計測量管線介質流量, 與固定式超聲波流量計流量進行比對, 檢驗固定式超聲波流量計計量是否準確。
4、常見故障原因分析與處理:
  同其他工業設備一樣, 超聲波流量計運行較長時間后, 難免會出現一些問題, 對準確計量造成影響。這時, 我們就要根據不同的故障現象, 分析問題原因, 及時調試、檢修。
4.1、沒有檢測信號:
  檢查傳感器探頭與管道是否出現連接不緊密的情況, 在工藝上考慮是否管線內壁結垢太厚影響信號傳輸。
  當傳感器探頭與管道連接不夠緊密時, 要確保管道表面干凈, 無銹跡, 無油漆, 使用充足的耦合劑連接探頭與管道, 保證沒有氣泡、連接緊密。當管線內壁結垢時, 在無法清除結垢的情況下, 可以在滿足安裝條件的前提下更換測試點, 使其滿足測量需要。
4.2、接收信號強度低:
  檢查直管段距離是否足夠, 檢查附近是否有變頻器干擾, 檢查傳感器與變送器的連接線是否過長。
  若直管段距離不夠, 需重新選取恰當的測量點;若附近有變頻器干擾, 需重新規劃流量計和變頻設備的安裝位置, 避免流量計受到影響;若傳感器與變送器的連接線過長, 也可能會造成信號衰竭, 應對連接線進行屏蔽。
5、結束語:
  在工業實際應用中, 特別是在大口徑、高壓力、介質穩定的管線中, 超聲波流量計有著其他類型流量計所沒有的優勢。此外, 超聲波流量計日常維護所投入的費用并不昂貴[6], 可謂大口徑計量的首選計量設備。隨著超聲波流量計的不斷發展、完善, 超聲波流量將得到更加廣泛的應用[7]。


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