便携式超声波流量计现场管道流量测量与分析
时间：2013-08-22 阅读：1138
现在盛行的便携式超声流量计使用方便灵活, 一般适用于测量大口径管道的流量, 然而现场应用的实际测量精度, 常因工作疏忽, 换能器安装距离及流通面积等测量的误差而造成精度下降。不正确的安装甚至会使得仪表*不能工作。因此, 仪表现场的安装与调试对于测量是非常重要环节, 本文就现场使用超声波流量计所遇到的问题进行分析, 总结出管道流量测量的方法。
一、超声波流量计的原理
超声流量计利用超声波在流动的流体中传播时, 可以载上流体流速信息的特性, 通过接收和处理穿过流体的超声波信息就可以检测出流体的速度, 从而换算成流量。它具有下列主要特点: 解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠的测量困难的问题; 对介质几乎无要求; 测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等参数的影响; !测量范围度宽, 一般可达20∶1。
时差法
测量是在被测流体内由两对超声波发生器和接收器组成两个通道, 分别在顺流方向和逆流方向发射超声波脉冲, 测量其传播的时间差t。
顺流方向发射超声波脉冲的传播时间为
t1 =Lc + u
逆流方向发射超声波脉冲的传播时间为
t2 =Lc - u
其中: L——超声波发射器到接收器之间的距离, 也称声程; c——被测流体静止时的超声波传播速度; u——被测流体的速度。
在顺流和逆流情况下超声波的传播时间差为
t = t2 - t1 =L （ c + u） - L （ c - u）c2- u2=2Luc2- u2
由于超声波传播速度c 远大于流体流速u, 故可认为c2- u2≈c2, 故t =2Luc2即u =c22Lt
由上式可见: 当超声波在静止流体中的传播速度可认为常数时, 流体流速就与时间差t 成正比, 测量t 即可得到流速, 进而求得流量。
二、超声波流量计的安装与调试
一般, 超声波流量计的安装应从以下几个方面考虑: 详细了解现场情况;确定安装方式;选择安装管段;计算安装距离,确定探头位置;管道表面处理;探头安装及接线;用示波器观察接收波形,微调并固定探头。
2. 1 换能器的安装
（ 1） 正确选择安装地点
一般, 当管道内径为 D 时上游直管段长度应大于10D, 下游大于5D。当上游有泵、阀门等阻力件时, 直管段长 度至少应有30～50D, 有时甚至要求更高, 如距泵房要
求70～100 m。当采用双声道或多声道测量时, 表前直管段可以有明显缩短。
（ 2） 正确选择安装方式
当流体平行于管轴流动时, 通常可用透过法（ Z 法） 安装能获得较好的精度。但当流体流动方向与管轴不平行, 存在半径方向的速度成分时, 应采用反射法（ V 法） 或者采用2V 法安装。对于已配置好的流体管道, 特别是测量大口径管道流量时, 由于上游流动状态的干扰而易于造成测量误差的场合, 比较合适的措施是增加测量线, 即增加超声波的传播路径, 更多地接受传播路径中的流速信息, 进行平均, 以抵消流体扰动造成的测量误差。增加测量线时, 换能器的安装应使超声波传播途径均匀地置于流通截面上。一般认为有4 条测量线（ 即4个换能器） 就足够了。
（ 3） 确定安装距离
换能器的安装应根据具体的测量方式依据说明书上的步骤进行, 各种测量方式下的安装步骤略有不同, 但其原理相似。下面以普遍应用的透过法（ Z 法） 的换能器安装为例, 说明一对换能器的安装距离的确定方法。一对换能器的安装有个基本原则, 称为距离法: 就是发射换能器与接收换能器应在管道的半圆平分线上（ 对于V 法, 则在同一半圆基线上） , 并根据实际的管道内径,壁厚及被测流体的性质, 参数等核算, 确定两换能器之间的轴间距离h, 保证安装时h 值的准确。
其计算公式:h = 2tan 2 + D tan 3
其中: ——管壁厚; D——管内径; 2 ——声波进入管壁中角度; 3 ——声波进入流体中角度目前的超声流量计显示仪表一般都有计算安装距离的功能, 只要将管道材料、管径、壁厚、等管道参数, 流量计就能计量出安装距离h, 然后用上述的距离法确定安装位置。
上述距离法只能用于管道条件较好的场合。当管道条件不好时, 如由于使用时间太长, 结垢严重, 又不知结垢的实际厚度, 这时就很难确定安装距离h, 对于这种情况, 可采用渡越时间法安装换能器。
首先将显示仪表的灵敏度旋钮到中间位置, 然后按要求将一只换能器固定在管道的一侧, 将另一只换能器涂上黄油在管道的另一侧沿上, 下, 左, 右方向移动, 观察显示仪表的循环显示灯或数字, 当循环显示灯亮了或有数字显示, 则微动换能器, 观察渡越时间, 当渡越时间接近所给定的 数值时, 停止移动换能器, 此时若渡越时间的前4 位数稳定时, 说明换能器已安装好。将换能器固定好, 仪表就可以正常工作了。
2. 2 显示仪表的安装
（ 1） 显示仪表的安装地点
显示仪表的安装地点应选择振动冲击很小的位置, 注意避免电磁场的影响, 仪表电源应避免引起电压波动, 使用环境温度亦应在说明书中的范围之内, 除特殊密封仪表外, 应安装在无腐蚀性的环境中。
（ 2） 连线长度
仪表与换能器之间的连线应用屏蔽线, 连线长度按说明书要求, 一般不超过 500 m, 但在发电厂, 由于干扰较大, 连线长度一般不超过100 m。