超聲流量計在大流量在線校準中的應用

超聲流量計在大流量在線校準中的應用

1迅速發(fā)展中的誤操作造成準確度低目前，許多供水和污水處理公司沒有配備大口流量的長期流量，這是不可停止的，大口流量的流量仍然存在于成本中。因此，定期回歸是這些公司的共同問題。為了解決這一問題,自貢市計量測試研究所于2004年,購入便攜式超聲流量計裝置一套,該裝置準確度達到1.0級,完全符合按照標準表法對川南地區(qū)許多供水企業(yè)3.0級的大口徑流量計進行在線校準的要求。該超聲流量計為外夾式超聲流量計,使用上靈活方便,然而,現(xiàn)場應用的實際測量準確度,常因工作疏忽,換能器安裝距離及流體截面積等測量的誤差而造成準確度降低。本文正是以此為出發(fā)點,根據(jù)所使用的超聲流量計原理特點,結合這些年開展大流量在線校準的工作經驗,討論了開展大流量在線校準工作時超聲流量計使用的一些注意事項。2傳播時間差法測量超聲流量計一般是由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉換為超聲波能量,并將其發(fā)射到被測流體中,接收器接收到的超聲波信號,經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。超聲波流量計從原理上主要分為傳播速度法超聲流量計和多普勒超聲流量計。根據(jù)所測物理量的不同,傳播速度差法可分為時差法、相位差法和頻差法。我所使用的是時差式超聲流量計,因此,本文主要討論基于時差法的超聲流量計的使用。時差法測量是由一對超聲波發(fā)生器和接收器組成兩個通道,分別在順流方向和逆流方向發(fā)射超聲波脈沖,測量其傳播時間差Δt。工作原理如圖1所示。順流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時間為t1=Lc+ut1=Lc+u逆流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時間為t2=Lc?ut2=Lc-u式中:L—超聲波發(fā)射器到接收器之間的距離,m;c—被測流體靜止時的超聲波傳播速度,m/s;u—被測流體的速度,m/s。在順流和逆流情況下超聲波的傳播時間差為Δt=t2?t1=Lc?u?Lc+u=2Luc2?u2Δt=t2-t1=Lc-u-Lc+u=2Luc2-u2由于超聲波傳播速度c遠大于流體流速u,故可認為c2-u2≈c2;Δt=2Luc2Δt=2Luc2可得:u=c22LΔtu=c22LΔt在上式中,超聲波在靜止流體中傳播速度c可認為是常數(shù);而L也能通過測量得到,作為另一個常數(shù);此時,流體流速與時間差Δt成正比,只要測量得到Δt也就可以得到流體流速u。3測量流速的測量目前,使用超聲流量計之前需要對管道尺寸進行精確測量,將得到的管徑、管壁等數(shù)據(jù)并介質類型、管道材料等參數(shù)輸入流量計顯示儀表,就能直接得到換能器安裝的距離h,正確安裝即能自動顯示流速、流量等數(shù)據(jù)?；谝陨蠒r差法超聲流量計原理可見,流速u測量準確與否與c、L、Δt的準確測量緊密相關,而不僅如此,u本身狀態(tài)也影響著流速u的測量準確度。因此,本文從u、c、L、Δt四個方面,以Z安裝方法為例,來闡述影響超聲流量計在線校準準確度的各種因素,并指出相應的注意事項來避免這些影響測量準確度的因素產生。3.1流速分布的穩(wěn)定性時差法超聲流量計從原理上是測量超聲波傳播途徑上的平均流速,平均流速的含義是當管內流體以這樣的平均流速通過管道橫截面的流量與管內流體以某一速度分布通過該管道截面的流量相等。其中,速度分布是指在管道橫截面上流體速度軸向分量的分布模式。圖2為典型的層流狀態(tài)下軸向剖視圖,可見,對于流速較小的層流情況,流速分布呈拋物線分布,這種一定的函數(shù)關系在雷諾數(shù)Re在約2320以下的情況下都能保持穩(wěn)定,因此,只需簡單修正就能得到準確的結果。圖3為典型的紊流狀態(tài)下軸向剖視圖,可見,對于流速較大的紊流情況,隨著Re增大,流速分布近似于均勻分布,因此,也容易得到準確的結果。而以上兩種典型的穩(wěn)定的流速分布是充分發(fā)展了的管內流動所具有的流速分布,即管內流體只有通過足夠長的直管段以后才能實現(xiàn)。而由于流動過程中總是存在各種干擾,管內的流速分布往往偏離這種典型分布,從而對流量的測量準確造成較大的影響。根據(jù)工作經驗,以管徑為600mm的管道為例,直管段不足帶來的測量誤差可達-4%左右。因此,從u這個角度考慮,我們需要注意:超聲流量計安裝需要在表前有足夠長的直管段或者加裝整流器來保證速度分布能達到充分發(fā)展的管流狀態(tài)。以我所使用的DTFXP系列超聲流量計為例,就需要滿足表前不小于10倍D的直管段、表后不小于5倍D的直管段的安裝要求。3.2檢測流量計的控制傳播速度一般都是需要輸入流量計控制面板中的。而傳播速度往往不需要直接輸入,除了一些特殊情況外,只需要輸入管道材質、管襯材料、流體介質類型就可以得到管道中的聲速c1、管襯中的聲速c2、流體介質中的聲速c。因此,我們在開始使用流量計在線校準之前,要搞清楚管道材質、管襯材料、流體介質類型等參數(shù),來確保帶入流量計控制面板自動計算流量最終結果所需的c1、c2、c的準確。還應注意的是,具有較多固體顆粒和氣泡的流體不適用時差式超聲流量計。因為固體顆粒和氣泡會使超聲波發(fā)生散射,從而影響流量測量的準確度,甚至會使流量計不能正常工作。面對這類情況,一般都選擇使用多普勒超聲流量計。3.3超聲流量計的安裝確保聲程L的準確主要是注意兩個方面的問題:第一,管道幾何尺寸的精確測量,管內不能有太厚的結垢。管道幾何尺寸的測量,主要是管道外徑d和管壁s的測量。管道內徑D=d-2s?；跁r差法的超聲流量計流速u和聲程L有關。而流體中的聲程L=D/cosθ3。管壁中的聲程L1=2s/cosθ2。θ2、θ3往往是由超聲波從換能器射到管外壁時的角度θ1確定的,而正確安裝后的θ1是固定不變的。而且流量是等于流速乘以截面積的。因此由流量和管徑的關系可知,管徑每存在1%的誤差,就會產生約3%的流量測量誤差?？梢?使用超聲流量計時,我們必須保證管道內徑和壁厚測量的精確。而管道結垢,不但造成管徑誤差,還會使超聲波產生散射,降低流量計的測量精度,甚至儀表不能正常工作。根據(jù)工作經驗,以管徑為600mm的管道為例,管道結垢產生了10mm的管徑誤差,由此帶來的流量測量誤差高達-3.4%左右。因此,我們安裝超聲流量計換能器的那段管道最好換成新的或者清洗過的不銹鋼管道。第二,換能器的正確安裝。一對換能器的安裝有個基本原則:發(fā)射換能器與接受換能器應在半圓平分線上。而兩換能器軸間距離h=2s*tanθ2+D*tanθ3。而h一般是由輸入外徑、壁厚等參數(shù),流量計控制面板自動生成的。因此,除了d、s測量的準確外,還應確保發(fā)射換能器和接受換能器配合方向的準確,并借助耦合劑,使θ1準確,從而確保θ2、θ3的準確。除此之外,還應注意,軸間距離h不是兩頭或兩尾的距離,而是要根據(jù)說明書的要求對準換能器上相關的標示刻線。3.4超聲換能器的使用超聲流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應,采用發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上,使其產生超聲波振動。超聲波以某一角度射入流體中傳播,然后由接收換能器接收,并經壓電元件變?yōu)殡娔?以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應,而接收換能器則是利用壓電效應。很多超聲流量計信息采集處理電路采用鎖相環(huán)路技術。在鎖定相位的情況下,電壓控制振蕩器1以N/t1的頻率進行振蕩,電壓控制振蕩器2以N/t2的頻率進行振蕩。因此可得頻率差f1?f2=N(1t1?1t2)f1-f2=Ν(1t1-1t2)從而,可以得到時間差Δt,進而求出流速、流量。為了保證時間差Δt的測量準確,我們就應該正確使用超聲換能器。首先,壓電原件對環(huán)境溫度、濕度較為敏感,雖然超聲換能器封裝都普遍較好,但是還應注意在說明書上的溫度、濕度范圍內使用。其次,壓電原件是高阻抗、小功率原件,極易受外界機、電振動引起的噪聲干擾。因此,要注意換能器安裝地點應避免強電磁場和管道的振動等因素的影響。還應在儀表與換能器之間使用屏蔽線,連線長度嚴格按照說明書的要求。除此之外,顯示儀表也應選擇振動沖擊很小的位置,避免電磁場的影響,以避免引起儀表電壓波動。4超聲流量計工作過程中需要注意的問題目前,我所已經對自貢