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便攜(xié)式超聲(shēng)波流量(liàng)計現(xiàn)場管道流(liú)量(liàng)測量與分析
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現在(zài)盛行的便(biàn)攜式超聲(shēng)流量(liàng)計
使用(yòng)方便靈(líng)活，一(yī)般适用于測(cè)量(liàng)大口徑管(guǎn)道的流量(liàng)，然而(ér)現場應用的實(shí)際測量精(jīng)度，常(cháng)因工作(zuò)疏忽，換能器安裝距離(lí)及流通(tōng)面積等(děng)測量的誤(wù)差而造成(chéng)精(jīng)度下降(jiàng)。不正确的安裝甚至會(huì)使得儀(yí)表
完全不能工作。因此(cǐ)，儀表現(xiàn)場的安裝與調(diào)試對(duì)于測量是非常重要環節，本文就現場使(shǐ)用超聲波(bō)流量(liàng)計所遇到的問(wèn)題進行(háng)分(fèn)析，總結出管道流量(liàng)精确(què)測(cè)量的方(fāng)法。
1 超聲波流量(liàng)計的原理(lǐ)
超聲流量(liàng)計(jì)利用超(chāo)聲波在(zài)流動的流體(tǐ)中傳(chuán)播時，可以(yǐ)載上流體(tǐ)流速(sù)信息的特(tè)性，通過(guò)接(jiē)收和處理(lǐ)穿(chuān)過(guò)流體(tǐ)的超聲(shēng)波(bō)信息(xī)就可(kě)以檢測出(chū)流體的速(sù)度，從(cóng)而換算成(chéng)流量(liàng)。它具有下列主(zhǔ)要特(tè)點(diǎn)：①解(jiě)決了(le)大管徑、大(dà)流量及各(gè)類明渠、暗(àn)渠的測(cè)量困難(nán)的問(wèn)題；②對介質(zhì)幾乎無要(yào)求(qiú)；③測(cè)量準(zhǔn)确(què)度幾乎(hū)不受被測流體溫度(dù)、壓力、密度(dù)、粘度等參數的影響(xiǎng)；④測量範(fàn)圍(wéi)度寬，一般(bān)可達20∶1。
時差法[1]測量是(shì)在被測流(liú)體内(nèi)由兩對超聲波(bō)發生器和接(jiē)收器組成兩個通(tōng)道，分别在順流(liú)方向和逆流方向發(fā)射超聲波(bō)脈沖(chòng)，測量其傳(chuán)播的時間(jiān)差△t。
順(shùn)流方向發射超(chāo)聲波脈沖的傳(chuán)播時(shí)間爲(wèi)
逆流(liú)方向發(fā)射超聲波脈沖(chòng)的傳播(bō)時間(jiān)爲
其(qí)中：l——超(chāo)聲波(bō)發射器到(dào)接收器之(zhī)間的距離，也稱聲程；c——被測流體靜止時的(de)超聲波傳(chuán)播速度；u——被(bèi)測流體的速度(dù)。
在順(shùn)流和逆流情況(kuàng)下超(chāo)聲波(bō)的傳播時間(jiān)差(chà)爲
由(yóu)于超(chāo)聲波傳播(bō)速度c遠大于流(liú)體流速u，故可(kě)認爲c
2
-u
2
≈c
2
，故
即
由上式可見：當(dāng)超聲波(bō)在靜止流體中(zhōng)的傳(chuán)播速度可(kě)認爲(wèi)常數時，流體流(liú)速就(jiù)與時(shí)間差△t成正比，測(cè)量△t即(jí)可得到流(liú)速，進而求得流(liú)量。
2 超聲波流(liú)量(liàng)計的安裝(zhuāng)與調(diào)試
一(yī)般，超(chāo)聲波流量計的安裝(zhuāng)應從以下幾個(gè)方面(miàn)考慮：①詳細了解(jiě)現場情況(kuàng)；②确定安裝方式；③選擇(zé)安裝(zhuāng)管段(duàn)；④計算安(ān)裝(zhuāng)距離(lí)，确定(dìng)探頭位置(zhì)；⑤管道表面(miàn)處理；⑥探頭安裝及接線；⑦用示(shì)波器
觀察接收波形，微(wēi)調并固定(dìng)探頭(tóu)。
2.1 換能器(qì)[2]的(de)安裝(zhuāng)
（1）正确選擇安裝(zhuāng)地點(diǎn)
一(yī)般，當管(guǎn)道内徑(jìng)爲d時上遊直管段長度(dù)應大于10d，下(xià)遊大(dà)于5d。當上遊有泵、閥門等阻力件(jiàn)時，直(zhí)管段長度(dù)至少(shǎo)應有(yǒu)30～50d，有時(shí)甚至要求更高(gāo)，如距泵房要求(qiú)70～100m。當采用雙聲道(dào)或多聲道(dào)測量(liàng)時，表前直管段(duàn)可以有明(míng)顯縮(suō)短。
不同形式阻(zǔ)流件應(yīng)配(pèi)置的(de)直管段長(zhǎng)度列(liè)于表1所示(shì)。
（2）正确(què)選擇(zé)安裝方式(shì)[3]
當流體平(píng)行于(yú)管軸(zhóu)流(liú)動時，通(tōng)常可用圖1中的(de)透過(guò)法（z法）安裝(zhuāng)能獲得較(jiào)好的(de)精度(dù)。但(dàn)當流體流動方向(xiàng)與管(guǎn)軸不(bú)平(píng)行，存在(zài)半徑方(fāng)向的(de)速度成(chéng)分(fèn)時，應采(cǎi)用圖1中(zhōng)的(de)反射(shè)法（v法）或者采用2v法安裝。對于已(yǐ)配置好的流(liú)體(tǐ)管道，特别(bié)是測(cè)量大(dà)口(kǒu)徑(jìng)管道(dào)流量時，由于上(shàng)遊流動狀态的(de)幹擾而(ér)易于造(zào)成測量誤差的場合，比(bǐ)較(jiào)合适(shì)的措施是增加(jiā)測量線，即(jí)增加超聲波(bō)的傳播路徑(jìng)，更多(duō)地接(jiē)受傳播路徑中的流(liú)速信息，進(jìn)行平均(jun1)，以(yǐ)抵消(xiāo)流體擾動造成(chéng)的測量誤差。增(zēng)加測量(liàng)線時，換(huàn)能器(qì)的安裝應(yīng)使超聲波傳播(bō)途徑均勻地置(zhì)于流(liú)通截面上(shàng)。一般認(rèn)爲(wèi)有4條(tiáo)測量線（即(jí)4個換(huàn)能器(qì)）就足(zú)夠了(le)。
（3）确定安裝距(jù)離(lí)
換能(néng)器(qì)的(de)安裝(zhuāng)應根據(jù)具體的(de)測量(liàng)方(fāng)式依據說(shuō)明(míng)書上(shàng)的步(bù)驟進行，各種測量方式下(xià)的安(ān)裝步驟略(luè)有不同，但(dàn)其(qí)原理相(xiàng)似。下面(miàn)以普遍(biàn)應用的(de)透過(guò)法（z法）的換(huàn)能器安(ān)裝爲例，說(shuō)明一對換(huàn)能器(qì)的安(ān)裝距離的确定(dìng)方法。
一對換能(néng)器的(de)安(ān)裝(zhuāng)有個基本(běn)原則，稱爲(wèi)距離法[4]：就(jiù)是發(fā)射換能器與接(jiē)收換(huàn)能(néng)器(qì)應在(zài)管道(dào)的半圓平(píng)分線上(shàng)（對于v法(fǎ)，則在同一半圓(yuán)基線上），并根據(jù)實際的管道(dào)内(nèi)徑，壁厚及(jí)被測(cè)流體(tǐ)的(de)性質，參(cān)數等(děng)核算，确定(dìng)兩換能器之間(jiān)的軸(zhóu)間(jiān)距(jù)離h，保(bǎo)證安裝(zhuāng)時(shí)h值的(de)準确。其計算公(gōng)式：
h=2δ tanθ2+d tanθ3
其中：δ——管壁厚；d——管内徑(jìng)；θ2——聲(shēng)波進(jìn)入管壁(bì)中角度；θ3——聲波(bō)進入流體中角(jiǎo)度(dù)
目(mù)前的(de)超聲(shēng)流量(liàng)計顯(xiǎn)示儀表一般都(dōu)有計算安裝距(jù)離的功能，隻要(yào)将管道(dào)材料、管徑、壁厚(hòu)、等(děng)管道(dào)參數，流(liú)量(liàng)計就能計量出(chū)安裝(zhuāng)距離h，然後用上(shàng)述的距離法确(què)定安(ān)裝(zhuāng)位置。
上(shàng)述距(jù)離法隻能(néng)用于管道(dào)條件(jiàn)較好的場(chǎng)合。當(dāng)管道條(tiáo) 件(jiàn)不好時，如由(yóu)于使用(yòng)時間(jiān)太(tài)長(zhǎng)，結垢嚴重，又不知結(jié)垢（1）正(zhèng)确選擇安裝地點實際厚(hòu)度，這時就(jiù)很難(nán)确(què)定安(ān)裝距離(lí)h，對于(yú)這(zhè)種(zhǒng)情況(kuàng)，可采用渡(dù)越時(shí)間法[5]安(ān)裝換能(néng)器。
圖(tú)1 換(huàn)能器的安裝
首先(xiān)将顯(xiǎn)示儀(yí)表的(de)靈敏(mǐn)度旋鈕到中間(jiān)位置，然(rán)後按要(yào)求将(jiāng)一(yī)隻(zhī)換能(néng)器(qì)固定(dìng)在(zài)管道(dào)的一側，将另(lìng)一隻換(huàn)能器塗上(shàng)黃油(yóu)在管(guǎn)道的另一(yī)側沿(yán)上，下(xià)，左，右方向(xiàng)移動(dòng)，觀察(chá)顯示儀表(biǎo)的循環顯示燈或數(shù)字(zì)，當循環(huán)顯示(shì)燈亮了或(huò)有數字顯示，則(zé)微動(dòng)換能器，觀(guān)察渡(dù)越時(shí)間，當(dāng)渡越時間接近所給(gěi)定的數值(zhí)時(shí)，停止移動換(huàn)能器，此時若渡(dù)越時間(jiān)的(de)前4位數穩定時，說明(míng)換能(néng)器已安裝好。将換能器固(gù)定好，儀表(biǎo)就可以正(zhèng)常工(gōng)作了(le)。
2.2 顯示儀表(biǎo)的安(ān)裝
（1）顯(xiǎn)示儀(yí)表的(de)安裝(zhuāng)地點
顯示(shì)儀表(biǎo)的(de)安裝地點應選(xuǎn)擇(zé)振動(dòng)沖擊(jī)很(hěn)小(xiǎo)的位(wèi)置，注意避免電(diàn)磁場(chǎng)的影響，儀(yí)表電源應(yīng)避免引起(qǐ)電壓(yā)波動(dòng)，使用環境(jìng)溫度亦應(yīng)在說明書中的範(fàn)圍之内(nèi)，除特殊密封儀(yí)表外，應安裝在(zài)無腐蝕(shí)性的環(huán)境中(zhōng)。
（2）連線長度(dù)
儀(yí)表(biǎo)與換能器(qì)之間的連線應用屏(píng)蔽(bì)線，連線(xiàn)長度按說(shuō)明書(shū)要求，一般不超(chāo)過(guò)500m，但在(zài)發(fā)電廠(chǎng)，由于幹擾較大(dà)，連線(xiàn)長度一般不超過100m。
3 實際案例與經驗總結
爲(wèi)了找出(chū)影響(xiǎng)超聲波流量計(jì)精度的因素，在測量江蘇(sū)東南(nán)鋼鐵廠排水系統管道(dào)流量的(de)時候(hòu)，進行了現(xiàn)場的試(shì)驗(yàn)。總結了一(yī)下幾點經(jīng)驗。
（1）要有(yǒu)足夠長的表前(qián)直管段(duàn)長度（如(rú)表1所示(shì)）。
（2）管道幾何尺寸(cùn)精确(què)，管内結垢不能太厚。由流量與(yǔ)管徑(jìng)的關(guān)系可(kě)知，管徑(jìng)每(měi)存在1％的誤(wù)差，就會産生(shēng)約(yuē)3％的流(liú)量測量誤差。因(yīn)此，使(shǐ)用(yòng)超聲波(bō)流量計(jì)時，必須(xū)将壁(bì)厚測量精(jīng)确。
管道(dào)結垢，不但造(zào)成管徑誤差(chà)，還會使(shǐ)聲波(bō)發生散射，降低超聲波流(liú)量計(jì)的測(cè)量精(jīng)度。結(jié)垢過厚時(shí)，儀表(biǎo)甚至不能工作(zuò)。表2爲管道(dào)結垢(gòu)對流量測量的(de)影響計(jì)算表。
對(duì)于有的管道結(jié)垢已非常(cháng)嚴重(zhòng)，可以(yǐ)先把換能(néng)器拿下來，用手(shǒu)錘敲(qiāo)敲(qiāo)安裝換能器的部位，水垢收到震動後(hòu)會局部掉落下來，再把換能器(qì)安裝在管道上(shàng)測試(shì)，如果還不(bú)行，隻有建(jiàn)議單(dān)位将測量(liàng)段管道更新爲不鏽(xiù)鋼管(guǎn)道。
（3）在儀表(biǎo)的上遊(yóu)的管道(dào)上設(shè)置(zhì)排氣閥(fá)
輸水管(guǎn)道(dào)中有(yǒu)空氣是普(pǔ)遍存(cún)在的問題，源水(shuǐ)管道(dào)中氣體含(hán)量更大。管(guǎn)道中(zhōng)的氣(qì)體占據管(guǎn)道有效截面積(jī)，使流量測量産(chǎn)生誤差。如果管道(dào)中氣體過多(duō)，會使超聲(shēng)波發生散射而使儀(yí)表不能工作。因(yīn)此，在(zài)儀(yí)表上遊(yóu)安裝排氣閥是(shì)必要的(de)。
排氣閥(fá)的位置應(yīng)安裝在儀表(biǎo)上遊30d以(yǐ)上處(chù)，每隔一定時間(jiān)就應排氣(qì)一次。在東(dōng)南鋼(gāng)鐵廠(chǎng)dn600和dn900兩管道(dào)做試驗發(fā)現，在沒有安(ān)裝排氣(qì)閥時，流量(liàng)計約(yuē)多計水量(liàng)9％～10％。
（4）管道中的(de)流體沒有(yǒu)充滿管(guǎn)道
當換(huàn)能器(qì)在管(guǎn)道上(shàng)安裝好(hǎo)後，流量(liàng)計接收的強度(dù)信号(hào)在(zài)熒幕上(shàng)仍沒有(yǒu)顯(xiǎn)示，而(ér)其他預顯程序正常時，說明管道中(zhōng)流體沒(méi)有(yǒu)充滿(mǎn)管道(dào)。
4 結束(shù)語
通(tōng)過對基本(běn)原理的了解和現場試驗的經(jīng)驗總結(jié)，再次(cì)對(duì)東南(nán)鋼(gāng)鐵廠的排水系統測量流量，通過與已(yǐ)校(xiào)準(zhǔn)的(de)在線流(liú)量計的對比，發現當考慮(lǜ)了以上幹(gàn)擾精度的(de)因素(sù)和采(cǎi)用合(hé)适的安裝方法(fǎ)後，測量精度由第一次的±1.67％提高到±0.81％，滿足(zú)了(le)測試精度(dù)的(de)要求。
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發(fā)布時間：2014/12/15
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