便携式超声波流量计用于现场管道流量测量的分析

2016-06-07 09:36:09来源: eefocus
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完全不能工作。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,总结出管道流量精确测量的方法。
  
  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:①解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠的测量困难的问题;②对介质几乎无要求;③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;④测量范围度宽,一般可达20∶1。
  
  时差法[1]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

  
  逆流方向发射超声波脉冲的传播时间为

  
  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

  
  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

  
  即

  
  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:①详细了解现场情况;②确定安装方式;③选择安装管段;④计算安装距离,确定探头位置;⑤管道表面处理;⑥探头安装及接线;⑦用示波器观察接收波形,微调并固定探头。
    2.1 换能器[2]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70~100m。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。
    不同形式阻流件应配置的直管段长度列于表1所示。

 (2)正确选择安装方式[3]
    当流体平行于管轴流动时,通常可用图1中的透过法(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,应采用图1中的反射法(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[4]: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=2δ tanθ2+D tanθ3
    其中:δ——管壁厚;D——管内径;θ2——声波进入管壁中角度;θ3——声波进入流体中角度
    目前的超声波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(1)正确选择安装地点实际厚度,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[5]安装换能器。

 

  


 

图1 换能器的安装

  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500m,但在发电厂,由于干扰较大,连线长度一般不超过100m。
 
  三、 实际案例与经验总结
    为了找出影响超声波流量计精度的因素,在测量江苏东南钢铁厂排水系统管道流量的时候,进行了现场的试验。总结了一下几点经验。
    (1)要有足够长的表前直管段长度(如表1所示)。
    (2)管道几何尺寸精确,管内结垢不能太厚。由流量与管径的关系可知,管径每存在1%的误差,就会产生约3%的流量测量误差。因此,使用超声波流量计时,必须将壁厚测量精确。
    管道结垢,不但造成管径误差,还会使声波发生散射,降低超声波流量计的测量精度。结垢过厚时,仪表甚至不能工作。表2为管道结垢对流量测量的影响计算表。
     对于有的管道结垢已非常严重,可以先把换能器拿下来,用手锤敲敲安装换能器的部位,水垢收到震动后会局部掉落下来,再把换能器安装在管道上测试,如果还不行,只有建议单位将测量段管道更新为不锈钢管道。

  

    (3)在仪表的上游的管道上设置排气阀
    输水管道中有空气是普遍存在的问题,源水管道中气体含量更大。管道中的气体占据管道有效截面积,使流量测量产生误差。如果管道中气体过多,会使超声波发生散射而使仪表不能工作。因此,在仪表上游安装排气阀是必要的。
    排气阀的位置应安装在仪表上游30D以上处,每隔一定时间就应排气一次。在东南钢铁厂DN600和DN900两管道做试验发现,在没有安装排气阀时,流量计约多计水量9%~10%。
    (4)管道中的流体没有充满管道
    当换能器在管道上安装好后,流量计接收的强度信号在荧幕上仍没有显示,而其他预显程序正常时,说明管道中流体没有充满管道。
 
四、本文结语
    通过对基本原理的了解和现场试验的经验总结,再次对东南钢铁厂的排水系统测量流量,通过与已校准的在线流量计的对比,发现当考虑了以上干扰精度的因素和采用合适的安装方法后,测量精度由第一次的±1.67%提高到±0.81%,满足了测试精度的要求

关键字:便携式  超声波流量计  现场管道  流量测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016060715768.html
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