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便攜式超聲波流量(liàng)計現場管道流(liú)量(liàng)測量與分析
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現在盛行的便攜式超聲流量計
使用方便靈活，一般适用于測量(liàng)大口徑管(guǎn)道的流量，然而現場應用的實際測(cè)量精度，常因工(gōng)作疏忽，換能器安裝距離(lí)及(jí)流通面積(jī)等測量的誤差而造成精度下降。不正确的安(ān)裝甚至(zhì)會使得儀表
完全不能工作。因此，儀表現場的(de)安裝與調試對于測量是(shì)非常(cháng)重(zhòng)要環節，本(běn)文就現場使用超聲波流量計所遇到的問題進(jìn)行分析(xī)，總結出管道流量(liàng)精确測量的方法。
1 超聲(shēng)波流量計的原理
超聲流量(liàng)計利用超(chāo)聲波在流動的流體中傳播時，可以載上流體流(liú)速信息的特性，通過接收和(hé)處理穿過流體的超聲波信息就可以(yǐ)檢測出(chū)流體的速(sù)度，從而換算(suàn)成流量。它具有下列主(zhǔ)要特點：①解決了大管徑、大(dà)流量及各類明渠、暗渠的測(cè)量困難的問題；②對介質(zhì)幾乎無要(yào)求(qiú)；③測量準确度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等參數的影響；④測量範圍(wéi)度寬，一般可達20∶1。
時差法[1]測量是在被測流體内由兩對超聲波發生器和接收器組(zǔ)成兩個通(tōng)道，分别在順流方向(xiàng)和逆流方向發射超聲波脈沖，測量其傳(chuán)播的時間差△t。
順流(liú)方向發射(shè)超聲波脈沖的傳播時間爲
逆流方向發射(shè)超聲波脈沖的傳播(bō)時間爲
其中：L——超(chāo)聲波發射器到接收器之(zhī)間的(de)距離，也稱聲程；c——被測流體(tǐ)靜止時的超聲波傳播速(sù)度；u——被測(cè)流體的速(sù)度。
在順(shùn)流和逆流情(qíng)況下超(chāo)聲波的傳(chuán)播時間差爲
由于超聲波傳播(bō)速度c遠大于流體流速u，故可認爲c
2
-u
2
≈c
2
，故
即
由(yóu)上式(shì)可見：當超聲波在靜止(zhǐ)流體中的傳播速度可認爲常數時，流體流速就(jiù)與時間差△t成正比，測量△t即可得到流速，進而求得流量。
2 超聲波流量(liàng)計的(de)安裝與調試
一般，超聲波流(liú)量計的安裝應從以(yǐ)下幾個方面考慮：①詳細(xì)了解現場情況；②确定安裝方式；③選擇安裝管段；④計算安裝距離，确定探頭(tóu)位置(zhì)；⑤管道表(biǎo)面(miàn)處(chù)理；⑥探頭安裝及接線；⑦用示波器
觀察接收波形，微(wēi)調并固定探頭。
2.1 換能器[2]的(de)安裝(zhuāng)
（1）正确選(xuǎn)擇安裝地點(diǎn)
一般，當管(guǎn)道内徑爲D時上遊直管段長度應大于10D，下遊大于5D。當上遊有泵、閥門等阻力件時，直管段長度(dù)至少應有30～50D，有時甚至要求更高，如距泵房要求70～100m。當采用雙聲道或(huò)多聲道測量時，表前直管段(duàn)可以有明(míng)顯縮短。
不同形式阻流件應配置的(de)直管段長度列于表1所示。
（2）正确選擇(zé)安裝方式(shì)[3]
當流體平行于管軸流動時，通常可用圖1中的透過法（Z法）安裝能獲得(dé)較好的精度(dù)。但當流體(tǐ)流動方向與管軸不平(píng)行，存在半徑方向(xiàng)的速度成(chéng)分時(shí)，應采用圖1中的反射法（V法）或者采用2V法安裝。對于已配置好的流體管道，特别(bié)是測量大口徑管道(dào)流量時，由于上遊流動狀态的(de)幹擾而易于造成測量誤差的場合，比較合适(shì)的措(cuò)施是增加測量線，即(jí)增加超聲波的傳播(bō)路徑，更多(duō)地接受傳播路徑中(zhōng)的流速信息，進行平均，以抵消流體擾動造成的測量誤(wù)差。增加測量線時，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。一般認爲有4條(tiáo)測量線（即4個換能器）就足夠(gòu)了。
（3）确定安裝距離(lí)
換能器的安裝應根據具體的測量方式依據(jù)說明書上的步驟進行，各種測量方式(shì)下的安裝步驟略有不同，但(dàn)其原理相似。下面以普遍應用的透過法（Z法）的換能器安裝爲例，說(shuō)明一對換能器的安裝距離的确定方法。
一對換能器的安裝有個基本原則，稱爲距離法[4]：就是發射換能器與接(jiē)收換能器應在管道的半圓平分線上（對于V法，則在(zài)同一半圓基線(xiàn)上），并根據實際的管道内徑，壁厚及被測流體的性質，參(cān)數等核算，确定兩換能器之間(jiān)的軸(zhóu)間距離h，保證安裝時h值的準确。其計算公式：
h=2δ tanθ2+D tanθ3
其中：δ——管壁厚；D——管内徑；θ2——聲波進(jìn)入管(guǎn)壁中角度(dù)；θ3——聲波進(jìn)入流體中角度
目前的超聲(shēng)流量計顯示儀(yí)表一般都有計算安裝距離的功(gōng)能，隻要将管道材料、管(guǎn)徑、壁厚、等管道參(cān)數，流(liú)量計就能計量出安裝距離h，然後用上述的(de)距(jù)離法确定安裝位置。
上(shàng)述距離法隻能(néng)用于管道條件較好的場合。當(dāng)管道(dào)條 件不好時，如由于使用時間太長，結垢(gòu)嚴重，又不知結(jié)垢（1）正确選擇安(ān)裝地點實際厚度，這時就很難确定安裝距離h，對于這種情況，可采用渡越時間法[5]安(ān)裝換能器。
圖1 換能器的安裝
首先将顯示儀表的靈敏度旋鈕到中間位置，然後按要求将一隻換能器固定在管道(dào)的一側，将另一(yī)隻換(huàn)能器塗上(shàng)黃(huáng)油在管(guǎn)道的另一(yī)側沿上，下(xià)，左，右方向移動，觀察(chá)顯示儀表的循環顯示燈或數字，當循環顯示(shì)燈亮了或(huò)有數(shù)字顯示，則(zé)微動換能器，觀察渡越(yuè)時(shí)間，當渡越時間接近所給(gěi)定的數值時，停止移動換能器，此時若渡(dù)越時(shí)間的前4位數穩(wěn)定時，說明換能(néng)器(qì)已安裝好。将換能器固定好，儀表就可以正常工作了(le)。
2.2 顯示儀表的(de)安裝
（1）顯(xiǎn)示儀表的安裝地(dì)點
顯示(shì)儀表的安裝地點應選擇振動沖擊很小的位置，注意避免電磁場的影響，儀表電源應避免引起(qǐ)電壓波動，使用環境溫度亦應(yīng)在說(shuō)明書中的範圍之内，除特殊密封儀表外，應安裝在無腐蝕性的環(huán)境中。
（2）連線(xiàn)長度
儀表與(yǔ)換能器(qì)之間的(de)連線應(yīng)用屏蔽線(xiàn)，連線長度按說明書要求，一般不超過500m，但在發電廠(chǎng)，由于幹擾較大，連線長度一般不超過100m。
3 實際案例與經驗總結
爲了找出影響(xiǎng)超聲波流(liú)量計精度的因素，在(zài)測量江蘇東南鋼鐵廠排水(shuǐ)系統管道流(liú)量的時候，進行了現(xiàn)場的試驗。總結了一下幾點經驗。
（1）要(yào)有足夠長的表(biǎo)前直管段(duàn)長度（如表1所示）。
（2）管道幾何(hé)尺寸(cùn)精确，管内結(jié)垢不能太厚。由流(liú)量與管徑的關(guān)系可知，管徑每(měi)存在1％的誤(wù)差，就會産生約3％的流量測量誤差。因此，使用超聲波流量計時(shí)，必須将壁厚測量精(jīng)确。
管道結垢，不但造(zào)成管徑誤(wù)差，還會使聲波發生散射，降低超聲波流量(liàng)計的測量精度。結垢過厚時，儀表甚至不能工作(zuò)。表2爲管道結垢對流量測量的影響計算表。
對于有的管道結垢已非常嚴重(zhòng)，可以先把(bǎ)換能器拿下來，用手(shǒu)錘敲敲安裝換能器的部位，水垢收(shōu)到震動後會局部(bù)掉(diào)落下來，再把換能器(qì)安裝在管道上測試(shì)，如果還不行(háng)，隻有建議單位将測量段管(guǎn)道更新爲(wèi)不鏽鋼管道。
（3）在儀表的上遊的管道(dào)上設置排氣閥
輸水管道中(zhōng)有空氣是(shì)普遍存(cún)在的問(wèn)題，源水(shuǐ)管道中(zhōng)氣體含(hán)量更大。管道中的氣體占據管道有效截(jié)面積，使流量測量産生誤(wù)差。如果管道中氣體過多，會使超聲(shēng)波發生散射而使儀表不能(néng)工作。因此，在(zài)儀表上遊安裝排氣閥是必要的。
排氣閥的位置應安裝在儀(yí)表上遊30D以上處，每隔一定時間就應排氣(qì)一次。在東南鋼鐵廠DN600和DN900兩管道做試驗發現，在沒有安(ān)裝排氣閥時，流量(liàng)計約多計(jì)水量9％～10％。
（4）管道(dào)中的流體沒有(yǒu)充滿管(guǎn)道
當換(huàn)能器在管道上(shàng)安裝(zhuāng)好後，流量(liàng)計接收的強度信(xìn)号在熒(yíng)幕上仍沒有顯示，而其他預顯程序正常時，說明管道中流體沒有充滿管道。
4 結束語
通過對基本原(yuán)理的了解和現場試驗的(de)經驗總結，再次對(duì)東南鋼鐵(tiě)廠(chǎng)的排水系統(tǒng)測量流量(liàng)，通過與已校準的在線流量計的對比，發現當考慮(lǜ)了以上幹(gàn)擾精度的因素和采用合适(shì)的安裝方法後，測量精度由第一次的(de)±1.67％提高到±0.81％，滿足了測試精度的要求。
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發布時間：2014/12/15
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