超声波流量计工作原理及常见问题概述

超声波流量计工作原理及常见问题概述 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， V (该流速不等于零)， tD 这 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 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 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； 样就有： L tD =----------------------- ---------------- (2.1) C + V ? cos 和 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 D =------------- ---------------- (2.3) 2 sin A 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 A L 1 1 L： V 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=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 Re 的函数。 Check Sonic “系列 II ”(Series-ll)型流量计以具有一个“调整因子”，fadjust 为特色。在进行流量校 V(r)是雷诺数 Re 的函数，因此修正因子也是 Vm 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 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 A： 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 Vm 时, 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； 乙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。 时貼曲式 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，会岀现不定期的报警。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）O 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，气温较低时会岀现引压管 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（