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    便攜式超聲波流量計現場管道流量測量與分析


    現在盛行的便攜式超聲流量計使用方便靈活,一般適用于測量大口徑管道的流量,然而現場應用的實際測量精度,常因工作疏忽,換能器安裝距離及流通面積等測量的誤差而造成精度下降。不正確的安裝甚至會使得儀表完全不能工作。因此,儀表現場的安裝與調試對于測量是非常重要環節,本文就現場使用超聲波流量計所遇到的問題進行分析,總結出管道流量精確測量的方法。

    1 超聲波流量計的原理

    超聲流量計利用超聲波在流動的流體中傳播時,可以載上流體流速信息的特性,通過接收和處理穿過流體的超聲波信息就可以檢測出流體的速度,從而換算成流量。它具有下列主要特點:①解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠的測量困難的問題;②對介質幾乎無要求;③測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等參數的影響;④測量范圍度寬,一般可達20∶1。

    時差法[1]測量是在被測流體內由兩對超聲波發生器和接收器組成兩個通道,分別在順流方向和逆流方向發射超聲波脈沖,測量其傳播的時間差△t。

    順流方向發射超聲波脈沖的傳播時間為

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    逆流方向發射超聲波脈沖的傳播時間為

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    其中:L——超聲波發射器到接收器之間的距離,也稱聲程;c——被測流體靜止時的超聲波傳播速度;u——被測流體的速度。

    在順流和逆流情況下超聲波的傳播時間差為

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    由于超聲波傳播速度c遠大于流體流速u,故可認為c2-u2≈c2,故

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    由上式可見:當超聲波在靜止流體中的傳播速度可認為常數時,流體流速就與時間差△t成正比,測量△t即可得到流速,進而求得流量。

    2 超聲波流量計的安裝與調試

    一般,超聲波流量計的安裝應從以下幾個方面考慮:①詳細了解現場情況;②確定安裝方式;③選擇安裝管段;④計算安裝距離,確定探頭位置;⑤管道表面處理;⑥探頭安裝及接線;⑦用示波器觀察接收波形,微調并固定探頭。

    2.1 換能器[2]的安裝

    (1)正確選擇安裝地點

    一般,當管道內徑為D時上游直管段長度應大于10D,下游大于5D。當上游有泵、閥門等阻力件時,直管段長度至少應有30~50D,有時甚至要求更高,如距泵房要求70~100m。當采用雙聲道或多聲道測量時,表前直管段可以有明顯縮短。

    不同形式阻流件應配置的直管段長度列于表1所示。

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    (2)正確選擇安裝方式[3]

    當流體平行于管軸流動時,通?捎脠D1中的透過法(Z法)安裝能獲得較好的精度。但當流體流動方向與管軸不平行,存在半徑方向的速度成分時,應采用圖1中的反射法(V法)或者采用2V法安裝。對于已配置好的流體管道,特別是測量大口徑管道流量時,由于上游流動狀態的干擾而易于造成測量誤差的場合,比較合適的措施是增加測量線,即增加超聲波的傳播路徑,更多地接受傳播路徑中的流速信息,進行平均,以抵消流體擾動造成的測量誤差。增加測量線時,換能器的安裝應使超聲波傳播途徑均勻地置于流通截面上。一般認為有4條測量線(即4個換能器)就足夠了。

    (3)確定安裝距離

    換能器的安裝應根據具體的測量方式依據說明書上的步驟進行,各種測量方式下的安裝步驟略有不同,但其原理相似。下面以普遍應用的透過法(Z法)的換能器安裝為例,說明一對換能器的安裝距離的確定方法。

    一對換能器的安裝有個基本原則,稱為距離法[4]:就是發射換能器與接收換能器應在管道的半圓平分線上(對于V法,則在同一半圓基線上),并根據實際的管道內徑,壁厚及被測流體的性質,參數等核算,確定兩換能器之間的軸間距離h,保證安裝時h值的準確。其計算公式:

    h=2δ tanθ2+D tanθ3

    其中:δ——管壁厚;D——管內徑;θ2——聲波進入管壁中角度;θ3——聲波進入流體中角度

    目前的超聲流量計顯示儀表一般都有計算安裝距離的功能,只要將管道材料、管徑、壁厚、等管道參數,流量計就能計量出安裝距離h,然后用上述的距離法確定安裝位置。

    上述距離法只能用于管道條件較好的場合。當管道條 件不好時,如由于使用時間太長,結垢嚴重,又不知結垢(1)正確選擇安裝地點實際厚度,這時就很難確定安裝距離h,對于這種情況,可采用渡越時間法[5]安裝換能器。

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    圖1 換能器的安裝

    首先將顯示儀表的靈敏度旋鈕到中間位置,然后按要求將一只換能器固定在管道的一側,將另一只換能器涂上黃油在管道的另一側沿上,下,左,右方向移動,觀察顯示儀表的循環顯示燈或數字,當循環顯示燈亮了或有數字顯示,則微動換能器,觀察渡越時間,當渡越時間接近所給定的數值時,停止移動換能器,此時若渡越時間的前4位數穩定時,說明換能器已安裝好。將換能器固定好,儀表就可以正常工作了。

    2.2 顯示儀表的安裝

    (1)顯示儀表的安裝地點

    顯示儀表的安裝地點應選擇振動沖擊很小的位置,注意避免電磁場的影響,儀表電源應避免引起電壓波動,使用環境溫度亦應在說明書中的范圍之內,除特殊密封儀表外,應安裝在無腐蝕性的環境中。

    (2)連線長度

    儀表與換能器之間的連線應用屏蔽線,連線長度按說明書要求,一般不超過500m,但在發電廠,由于干擾較大,連線長度一般不超過100m。

    3 實際案例與經驗總結

    為了找出影響超聲波流量計精度的因素,在測量江蘇東南鋼鐵廠排水系統管道流量的時候,進行了現場的試驗?偨Y了一下幾點經驗。

    (1)要有足夠長的表前直管段長度(如表1所示)。

    (2)管道幾何尺寸精確,管內結垢不能太厚。由流量與管徑的關系可知,管徑每存在1%的誤差,就會產生約3%的流量測量誤差。因此,使用超聲波流量計時,必須將壁厚測量精確。

    管道結垢,不但造成管徑誤差,還會使聲波發生散射,降低超聲波流量計的測量精度。結垢過厚時,儀表甚至不能工作。表2為管道結垢對流量測量的影響計算表。

    對于有的管道結垢已非常嚴重,可以先把換能器拿下來,用手錘敲敲安裝換能器的部位,水垢收到震動后會局部掉落下來,再把換能器安裝在管道上測試,如果還不行,只有建議單位將測量段管道更新為不銹鋼管道。

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    (3)在儀表的上游的管道上設置排氣閥

    輸水管道中有空氣是普遍存在的問題,源水管道中氣體含量更大。管道中的氣體占據管道有效截面積,使流量測量產生誤差。如果管道中氣體過多,會使超聲波發生散射而使儀表不能工作。因此,在儀表上游安裝排氣閥是必要的。

    排氣閥的位置應安裝在儀表上游30D以上處,每隔一定時間就應排氣一次。在東南鋼鐵廠DN600和DN900兩管道做試驗發現,在沒有安裝排氣閥時,流量計約多計水量9%~10%。

    (4)管道中的流體沒有充滿管道

    當換能器在管道上安裝好后,流量計接收的強度信號在熒幕上仍沒有顯示,而其他預顯程序正常時,說明管道中流體沒有充滿管道。

    4 結束語

    通過對基本原理的了解和現場試驗的經驗總結,再次對東南鋼鐵廠的排水系統測量流量,通過與已校準的在線流量計的對比,發現當考慮了以上干擾精度的因素和采用合適的安裝方法后,測量精度由第一次的±1.67%提高到±0.81%,滿足了測試精度的要求。
     
    發布時間:2014/12/15 該信息已被瀏覽1115次! 關閉窗口

     
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