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超声波流量计工作原理及常见问题概述
更新时间:2019-4-25 9:07:50 浏览:326 关闭窗口 打印此页
[导读] 超声流量计是一个测量仪表,它利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。在气体的测量现场主要的检测元件包括一对或几对超声传感器。这些传感器都安装在管壁上,每一组传感器的表面都彼此具有规定的几何关系。
 
一、工作原理
 
1、 概述
 
超声流量计是一个测量仪表,它利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。在气体的测量现场主要的检测元件包括一对或几对超声传感器。这些传感器都安装在管壁上,每一组传感器的表面都彼此具有规定的几何关系。
 
由一个传感器发射的超声脉冲由同一组内另一个传感器接收,反过来也如此。Q.SoNIc-3 采用了一个单反射声道的方案,在对面的管壁处声脉冲有一次反射。此方案使声道的总长度增加,从而能改善分辨率(灵敏度)并拓宽流量计的范围度,如图2-1所示。
 
 
 
 
 
 
图2-1 信号反射路径
 
2 、流速的测量
 
超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器,就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时,声脉冲以相同的速度(声速,C)在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V(该流速不等于零),则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些,而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样,顺流传输时间tD会短些,而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言;这样就有:
 
L
 
tD = ——————— -------------- (2.1)
 
C + V • cos
 
 
L
 
tU = ——————— -------------- (2.2)
 
C — V • cos
 
式中,L代表两个传感器之间声道的直线长度,可按下式确定L:
 
L D
 
—— = ———— -------------- (2.3)
 
2 sin
 
^
 
采用电子学手段来测量此传输时间。根据时间倒数的差,可按下式计算流速V
 
^ L 1 1
 
V = ————(—— — ——)-------(2.4)
 
2cos tD tU
 
一般说来,沿管道横截面的流速并不是一个固定不变的常量。在流过很长圆管的定常无涡流的流体中,流速仅是径向位置的函数。通常称此函数为充分发展的速度分布(剖面),可以用如下的半经验幂律公式来近似它:
 
1
 
V(r)=Vmax(1— ——) n -------------(2.5)
 
R
 
式中,r是在半径上的位置,R是管道的半径,n是雷诺数Re和管内壁粗糙度的函数。对于光滑管道,可按下式来计算n:
 
Re
 
n=2log10(——)— 0.8 ---------------(2.6)
 
n
 
按(3.4)式计算的流速是沿声道的线积分:
 
1
 
VL= —— L V(r)dL ----------------------(2.7)
 
L
 
换句话说,由仪表所测得的流速是在声道方向上流体速度分量沿声道的平均值。通常用户感兴趣的是流体沿管道横截面S的平均流速Vm:
 
1
 
Vm= —— sV(r)ds ------------------(2.8)
 
S
 
如果V仅有一个垂直于S的速度分量,那么可根据下式来计算Vm:
 
Vm=Kc • VL ----------------(2.9a)
 
式中Kc代表所谓修正因子,它由下式来定义
 
1
 
—— V(r)ds
 
S
 
Kc = ——————— ------------(2.10)
 
1
 
—— V(r)dL
 
L
 
一旦V(r),L和S已知,修正因子就可以被计算出来。由于V(r)是雷诺数Re的函数,因此修正因子也是Re的函数。
 
Check Sonic “系列II”(Series-II)型流量计以具有一个“调整因子”,fadjust为特色。在进行流量校准(标定)后,可利用它对流量计进行调整,或者是根据一个具有已知或可接受精度的参比量对输出进行调整时,也需利用它。从1998年元月1日后发运的所有流量计都已具备该特点。在计算平均流速Vm时,已同时采用了调整因子:
 
Vm=fadjust • Kc • VL ---------------(2.9b)
 
3、 体积流量的计算
 
在管道流动状况下的体积流量QLine按速度分布修正后的气体的平均流速Vm乘以测量管的内横截面的面积A:
 
D2
 
QLine = Vm • A = Vm • —— -----------(2.11)
 
4
 
在标准状况下的体积流量QBase按下式计算:
 
Zo P To
 
QBase = —— • —— • —— • QLine -------------(2.12)
 
Z Po T
 
式中:
 
Zo,Po,To是在标准(或参比)状况下气体的压缩因子,绝对压力和绝对温度;
 
Z,P,T是在管道流动(或计量)条件下气体的压缩因子,绝对压力和绝对温度。
 
4 、超声波流量计的应用
 
超声波流量计在应用中,需要注意以下几个方面的问题:
 
4.1 正确选择
 
这是超声波流量计能够正常工作的基础。如果选型不当,或会造成流量无法测量,或者用户使用不做便等后果。具体选型原则,前面已做了详细的介绍。
 
4.2 合理安装
 
换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时除保证足够的上、下游直管段外,尤其要注意换能器尽量避开有变频调速嚣、电焊机等污染电源的场合。在安装方式上,主要有对贴安装方式和V方式、Z方式三种,如图3。多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式,时差式超声波流量计采用V方式和Z方式,通常情况下,管径小于300mm时,采用V方式安装, 管径大于200mm时,采用Z方式安装。对于即可以用V方式安装又可以方式安装的换能器,尽量选用Z方式。实践表明,Z方式安装的换能器超声波信号强度高,测量的稳定性也好。
 
 
 
 
 
 
4.3 及时核校
 
对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户,可以配备一台同类型的便携式超声波流量计,用于核校现场仪表的情况。一是坚持一装一校,即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校,确保选位好、安装好、测量准;二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时,要利用便携式超声波流量计进行及时核校,查清流量突变的原因,弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。
 
二、超声波流量计使用中常见问题:
 
1、 超声波流量计探头使用一段时间,会出现不定期的报警。尤其是输送介质杂质较多时,这种问题会较常见。解决办法:定期清理探头(建议一年清理一次)。
 
2、 超声波流量计输送介质含有水等液体杂质时,流量计引压管容易产生积液,气温较低时会出现引压管冻堵现象,尤其在北方地区冬季较常见。解决办法:对引压管进行吹扫或加电伴热
 
附 各种参数或变量的定义:
 
A 管道或流量计的横截面积;
 
C 声速;
 
D 管道或流量计的内(直)径;
 
Fadjust 调整系数(通常是根据流量标定结果来确定);
 
KC 修正系数(与雷诺数Re 有关);
 
KZ 一个恒定不便的压缩因子;
 
L 在一对传感器(超声探头)之间声道的长度(声程);
 
P 在管道流动条件下的绝对压力(绝压);
 
PO 在基准(参比)条件下的绝对压力(绝压);
 
Qline 在管道流动条件下的体积流量(实际体积流量);
 
QBase 修正到基准(参比)条件下的体积流量;
 
S 管道的横截面;
 
T 在管道流动条件下的绝对温度;
 
TO 在基准(参比)条件下的绝对温度;
 
TD 声音从上游探头到下游探头的传输时间;
 
TU 声音从下游探头到上游探头的传输时间;
 
V 气体的流速;
 
VL 沿声道的平均流速;
 
Vm 气体的平均流速(在管截面上的平均流速);
 
V(r) 沿管道半径在某点处的流速;
 
Z0 在基准(参比)条件下的压缩因子;
 
Z 在管道流动条件下的压缩因子;
 
 在管道轴线与声道之间的夹角。
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