Rss
詳解超聲波流量計的特點和應(yīng)用
本文介紹了超聲波流量計的工作原理，比較了各種測量方法之間的差異。還簡要論述了超聲波流量計的特點和工程應(yīng)用領(lǐng)域的選擇、安裝、維護、維護要點。
最近大量出現(xiàn)了新型超聲波流量計的品種，在石油化學(xué)、醫(yī)藥、環(huán)境保護領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，成為新流量計的主要品種之一。以非接觸的方式測量流量，因此可以有效地解決強腐蝕、放射性、堵塞、粘滯性、壓力損失小、不允許泄漏的介質(zhì)、氣泡、包含粒子等條件。對于外夾式超聲波流量計，管道大小與價格無關(guān)，因此廣泛應(yīng)用于大型管道大流量測量，尤其是大型管道大流量測量。
2超聲波流量計原理和測量方法
2.1測量原理和配置
超聲波流量計基于超聲波在流動流體中傳播時傳遞流體流速的信息。例如，下游和逆流的傳播速度是由于流體流速重疊而不同的。因此，通過接收到的超聲波，可以檢測流體的流速，并將其轉(zhuǎn)換為流速。
超聲波流量計由超聲波轉(zhuǎn)換器、電子電路和流量指示和累計系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器將電力轉(zhuǎn)換為超聲波能量，向被攝體發(fā)射，并通過電子電路放大接收到的超聲波信號，以指示流動的電信號供給標(biāo)記和累計測量儀顯示和積累。這允許流量檢測和顯示。
2.2測量方法
根據(jù)檢測方法，可以分為傳播速度差方法(時間差方法、頻率差方法、相位差方法)、多普勒方法、光束偏移方法、噪聲方法和相關(guān)方法等多種類型的超聲波流量計。
直接時差法、頻率差法和相位差法的基本原理都被統(tǒng)稱為傳播速度差法，因為它通過測量超聲波脈沖下游和反向傳播時間速度的差異來反映流體的流速。其中，頻率差法和時差法克服了流體溫度變化引起的聲速誤差，準(zhǔn)確度高，被廣泛采用。
多普勒方法利用聲學(xué)多普勒原理測量非均勻流體中散射的超聲多普勒頻移，確定流體流動，適用于懸浮粒子、氣泡等流體流動的測量。
梁偏移方法是根據(jù)流體流速的變化，利用超聲梁在流體中的傳播方向反映流體流速，在低流速下靈敏度很低。
噪音法(消音法)通過利用管道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪音與流體流速相關(guān)的原理檢測噪音，來表示流速或流量值。方法簡單，設(shè)備價格便宜，但準(zhǔn)確度低。相關(guān)法律是近年來的新方法。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測量流量，原則上，該方法的測量精度與流體的聲速無關(guān)，因此與流體溫度、濃度等無關(guān)，因此測量精度高，應(yīng)用范圍廣。但是價格昂貴，線路比較復(fù)雜。
這些方法各有特點，應(yīng)根據(jù)流量分布、管道安裝位置、測量精度要求等進行選擇。一般使用頻率差法，因為生產(chǎn)中工作條件的溫度不穩(wěn)定。直接時差法只在直徑很高的時候使用。由于流速擾動而產(chǎn)生的流量測量誤差也可以通過多聲道(例如，2通道或4通道)克服，前提是流場不固定，并且桌子前面的直線段較短。多普勒方法適用于兩相流的測量，防止了現(xiàn)有儀器造成懸浮顆�；驓馀莸亩氯�、磨損、附著和無法工作的弊病，從而實現(xiàn)了快速發(fā)展。
隨著工業(yè)的發(fā)展和節(jié)能工作的進行，開發(fā)了煤油混合(COM)、煤水泥復(fù)合(CWM)燃料輸送和應(yīng)用、燃料油水燃燒等節(jié)能方法，對多普勒超聲流量計的應(yīng)用有了廣闊的前景。下表顯示了超聲波流量計測量方法的特性應(yīng)用之間的比較。
3超聲波流量計的特性
超聲波流量計是隨著近10多年集成電路技術(shù)的快速發(fā)展而開始應(yīng)用的非接觸式儀表，適用于測量不容易接觸和觀測的流體和大型管道徑流。
3.1節(jié)能
使用超聲波流量計，無需在流體中安裝測量部件，就可以改變流體的流動狀態(tài)，沒有額外電阻，沒有壓力損失，儀表安裝和維護不影響生產(chǎn)管線運行，是理想的節(jié)能流量計。
3.2適用于困難介質(zhì)和大型管道測量
探測器沒有障礙物，沒有運動部件，不干涉流場，不堵塞，多普勒方法適用于測量臟流、混合相流等困難的測試介質(zhì)。不受流體壓力、溫度、粘度、密度影響的非接觸式儀器，可以與水、石油等普通介質(zhì)一起測量強腐蝕、非導(dǎo)電、爆炸性、放射性。
儀表原則上不受管道尺寸限制，特別適用于大型管道大流量測量。其他流量計隨著口徑的增加，成本增加，而超聲波成本與管道大小無關(guān)，口徑的大優(yōu)點更加明顯。最大口徑可達2米左右。夾緊超聲波流量計與管道大小無關(guān)，也可以用作臨時測量�？梢愿墓艿莱叽缁蚋牧髁繙y量范圍，以很好地適應(yīng)。3.3服務(wù)簡單
測試部件維修容易更換，除內(nèi)部組裝外，不需要損壞。
4超聲波流量計的選擇與應(yīng)用
超聲波流量計的選擇是一項比較復(fù)雜的工作。設(shè)計了轉(zhuǎn)換器類型、通道設(shè)置方法、轉(zhuǎn)換器及其配件的選擇、現(xiàn)場安裝設(shè)計和設(shè)備準(zhǔn)備等。
4.1選擇原則
正確的選擇是超聲波流量計正常運行的基礎(chǔ)。
傳播速度差異法常用于清潔的測試介質(zhì)，高精度的情況下常用。在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。超聲波流量計是目前應(yīng)用最廣泛的測量方法之一�？捎糜跍y量雜質(zhì)含量不高的均質(zhì)流體，精度可達1.5%。
多普勒適合于測量準(zhǔn)確度低、可反射超聲波信號的適量粒子或包含氣泡的液體，如未處理的污水、雜質(zhì)含量穩(wěn)定的工廠工藝液、工廠排出液等。對主體的要求比較苛刻，不同制造商的儀器性能不同，對主體的要求也不同。
4.2安裝要求
合理安裝可以保證超聲波流量計的穩(wěn)定運行。安裝時要選擇流體流場分布均勻的部分，并充分保證直線段長度要求，以形成勻速分布。通常，上游直管段長度為5D到10D(D等于管道直徑，如下所示)，下游直管段長度為3D到5D。如果直管段長度不符合要求，測量精度可能會下降。要使泵和閥門盡可能遠，泵必須距測量段上游50D，閥必須距測量段上游30D。安裝時必須選擇正確的安裝方法。換能器探頭安裝在傾斜和水平管道上時，必須使用水平位置進行安裝。也就是說，通常需要在水平面上以45度角放置轉(zhuǎn)換器探頭。管道中的氣泡和雜質(zhì)可以反射或衰減超聲波信號，從而引起測量中的大錯誤，可以通過在水平位置安裝的方式將測量出的流體中的氣泡聚集在管道上，大雜質(zhì)可以沿著管道底部流動，安裝的部分可以保證流體充滿，氣泡或氣泡較少。因此，對流體中超聲波傳播的影響最小，從而最大限度地提高了測量精度。
4.3正確的工藝管道參數(shù)
精確的工藝管道參數(shù)是獲得精確測量結(jié)果的基礎(chǔ)。在工藝管線(尤其是前一管線)上安裝超聲波流量計時，必須獲得準(zhǔn)確的工藝管道參數(shù)，如管道外徑、壁厚、材料、內(nèi)襯等。對于骯臟的管道，為了獲得更準(zhǔn)確的測量結(jié)果，必須將縮放考慮為內(nèi)襯。
4.4其他影響因素
要選取均勻、稠密的管道材料，適合超聲波傳播的直管段。選擇易于安裝和維護的小型振動。安裝轉(zhuǎn)換器探頭部分，油漆、鐵銹、沙子要平整。選擇合適的偶聯(lián)劑安裝時，在探針安裝部位均勻涂抹。選擇正確的流體類型和儀器類型，以準(zhǔn)確測量安裝轉(zhuǎn)換器探頭的距離。選擇支持轉(zhuǎn)換器探測部分溫度在工作范圍內(nèi)的探測類型。
5超聲波流量計在維護和維護中的使用
在實際使用中，由于轉(zhuǎn)換器探頭部分的管線振動、溫度變化、管道內(nèi)結(jié)垢變化、超聲波流量計電路工作點的漂移等原因，可能產(chǎn)生不準(zhǔn)確的測量，因此必須定期檢查和維護超聲波流量計。
日常檢查和維護工作包括信號強度和信號良好度檢查、傳輸時間和傳輸時差檢查、電流模擬輸出的檢查、定期校準(zhǔn)和校正，以及管道壁厚的變化。
6結(jié)束語
超聲波流量計是目前工程設(shè)計應(yīng)用中呈上升趨勢的流量計，在流量測量中發(fā)揮著重要作用。了解和掌握超聲波流量計的原理性能特性，注意選擇、安裝、使用和維護，可以達到準(zhǔn)確的測量目的。
最近大量出現(xiàn)了新型超聲波流量計的品種，在石油化學(xué)、醫(yī)藥、環(huán)境保護領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，成為新流量計的主要品種之一。以非接觸的方式測量流量，因此可以有效地解決強腐蝕、放射性、堵塞、粘滯性、壓力損失小、不允許泄漏的介質(zhì)、氣泡、包含粒子等條件。對于外夾式超聲波流量計，管道大小與價格無關(guān)，因此廣泛應(yīng)用于大型管道大流量測量，尤其是大型管道大流量測量。
2超聲波流量計原理和測量方法
2.1測量原理和配置
超聲波流量計基于超聲波在流動流體中傳播時傳遞流體流速的信息。例如，下游和逆流的傳播速度是由于流體流速重疊而不同的。因此，通過接收到的超聲波，可以檢測流體的流速，并將其轉(zhuǎn)換為流速。
超聲波流量計由超聲波轉(zhuǎn)換器、電子電路和流量指示和累計系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器將電力轉(zhuǎn)換為超聲波能量，向被攝體發(fā)射，并通過電子電路放大接收到的超聲波信號，以指示流動的電信號供給標(biāo)記和累計測量儀顯示和積累。這允許流量檢測和顯示。
2.2測量方法
根據(jù)檢測方法，可以分為傳播速度差方法(時間差方法、頻率差方法、相位差方法)、多普勒方法、光束偏移方法、噪聲方法和相關(guān)方法等多種類型的超聲波流量計。
直接時差法、頻率差法和相位差法的基本原理都被統(tǒng)稱為傳播速度差法，因為它通過測量超聲波脈沖下游和反向傳播時間速度的差異來反映流體的流速。其中，頻率差法和時差法克服了流體溫度變化引起的聲速誤差，準(zhǔn)確度高，被廣泛采用。
多普勒方法利用聲學(xué)多普勒原理測量非均勻流體中散射的超聲多普勒頻移，確定流體流動，適用于懸浮粒子、氣泡等流體流動的測量。
梁偏移方法是根據(jù)流體流速的變化，利用超聲梁在流體中的傳播方向反映流體流速，在低流速下靈敏度很低。
噪音法(消音法)通過利用管道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪音與流體流速相關(guān)的原理檢測噪音，來表示流速或流量值。方法簡單，設(shè)備價格便宜，但準(zhǔn)確度低。相關(guān)法律是近年來的新方法。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測量流量，原則上，該方法的測量精度與流體的聲速無關(guān)，因此與流體溫度、濃度等無關(guān)，因此測量精度高，應(yīng)用范圍廣。但是價格昂貴，線路比較復(fù)雜。
這些方法各有特點，應(yīng)根據(jù)流量分布、管道安裝位置、測量精度要求等進行選擇。一般使用頻率差法，因為生產(chǎn)中工作條件的溫度不穩(wěn)定。直接時差法只在直徑很高的時候使用。由于流速擾動而產(chǎn)生的流量測量誤差也可以通過多聲道(例如，2通道或4通道)克服，前提是流場不固定，并且桌子前面的直線段較短。多普勒方法適用于兩相流的測量，防止了現(xiàn)有儀器造成懸浮顆�；驓馀莸亩氯�、磨損、附著和無法工作的弊病，從而實現(xiàn)了快速發(fā)展。
隨著工業(yè)的發(fā)展和節(jié)能工作的進行，開發(fā)了煤油混合(COM)、煤水泥復(fù)合(CWM)燃料輸送和應(yīng)用、燃料油水燃燒等節(jié)能方法，對多普勒超聲流量計的應(yīng)用有了廣闊的前景。下表顯示了超聲波流量計測量方法的特性應(yīng)用之間的比較。
3超聲波流量計的特性
超聲波流量計是隨著近10多年集成電路技術(shù)的快速發(fā)展而開始應(yīng)用的非接觸式儀表，適用于測量不容易接觸和觀測的流體和大型管道徑流。
3.1節(jié)能
使用超聲波流量計，無需在流體中安裝測量部件，就可以改變流體的流動狀態(tài)，沒有額外電阻，沒有壓力損失，儀表安裝和維護不影響生產(chǎn)管線運行，是理想的節(jié)能流量計。
3.2適用于困難介質(zhì)和大型管道測量
探測器沒有障礙物，沒有運動部件，不干涉流場，不堵塞，多普勒方法適用于測量臟流、混合相流等困難的測試介質(zhì)。不受流體壓力、溫度、粘度、密度影響的非接觸式儀器，可以與水、石油等普通介質(zhì)一起測量強腐蝕、非導(dǎo)電、爆炸性、放射性。
儀表原則上不受管道尺寸限制，特別適用于大型管道大流量測量。其他流量計隨著口徑的增加，成本增加，而超聲波成本與管道大小無關(guān)，口徑的大優(yōu)點更加明顯。最大口徑可達2米左右。夾緊超聲波流量計與管道大小無關(guān)，也可以用作臨時測量�？梢愿墓艿莱叽缁蚋牧髁繙y量范圍，以很好地適應(yīng)。3.3服務(wù)簡單
測試部件維修容易更換，除內(nèi)部組裝外，不需要損壞。
4超聲波流量計的選擇與應(yīng)用
超聲波流量計的選擇是一項比較復(fù)雜的工作。設(shè)計了轉(zhuǎn)換器類型、通道設(shè)置方法、轉(zhuǎn)換器及其配件的選擇、現(xiàn)場安裝設(shè)計和設(shè)備準(zhǔn)備等。
4.1選擇原則
正確的選擇是超聲波流量計正常運行的基礎(chǔ)。
傳播速度差異法常用于清潔的測試介質(zhì)，高精度的情況下常用。在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。超聲波流量計是目前應(yīng)用最廣泛的測量方法之一�？捎糜跍y量雜質(zhì)含量不高的均質(zhì)流體，精度可達1.5%。
多普勒適合于測量準(zhǔn)確度低、可反射超聲波信號的適量粒子或包含氣泡的液體，如未處理的污水、雜質(zhì)含量穩(wěn)定的工廠工藝液、工廠排出液等。對主體的要求比較苛刻，不同制造商的儀器性能不同，對主體的要求也不同。
4.2安裝要求
合理安裝可以保證超聲波流量計的穩(wěn)定運行。安裝時要選擇流體流場分布均勻的部分，并充分保證直線段長度要求，以形成勻速分布。通常，上游直管段長度為5D到10D(D等于管道直徑，如下所示)，下游直管段長度為3D到5D。如果直管段長度不符合要求，測量精度可能會下降。要使泵和閥門盡可能遠，泵必須距測量段上游50D，閥必須距測量段上游30D。安裝時必須選擇正確的安裝方法。換能器探頭安裝在傾斜和水平管道上時，必須使用水平位置進行安裝。也就是說，通常需要在水平面上以45度角放置轉(zhuǎn)換器探頭。管道中的氣泡和雜質(zhì)可以反射或衰減超聲波信號，從而引起測量中的大錯誤，可以通過在水平位置安裝的方式將測量出的流體中的氣泡聚集在管道上，大雜質(zhì)可以沿著管道底部流動，安裝的部分可以保證流體充滿，氣泡或氣泡較少。因此，對流體中超聲波傳播的影響最小，從而最大限度地提高了測量精度。
4.3正確的工藝管道參數(shù)
精確的工藝管道參數(shù)是獲得精確測量結(jié)果的基礎(chǔ)。在工藝管線(尤其是前一管線)上安裝超聲波流量計時，必須獲得準(zhǔn)確的工藝管道參數(shù)，如管道外徑、壁厚、材料、內(nèi)襯等。對于骯臟的管道，為了獲得更準(zhǔn)確的測量結(jié)果，必須將縮放考慮為內(nèi)襯。
4.4其他影響因素
要選取均勻、稠密的管道材料，適合超聲波傳播的直管段。選擇易于安裝和維護的小型振動。安裝轉(zhuǎn)換器探頭部分，油漆、鐵銹、沙子要平整。選擇合適的偶聯(lián)劑安裝時，在探針安裝部位均勻涂抹。選擇正確的流體類型和儀器類型，以準(zhǔn)確測量安裝轉(zhuǎn)換器探頭的距離。選擇支持轉(zhuǎn)換器探測部分溫度在工作范圍內(nèi)的探測類型。
5超聲波流量計在維護和維護中的使用
在實際使用中，由于轉(zhuǎn)換器探頭部分的管線振動、溫度變化、管道內(nèi)結(jié)垢變化、超聲波流量計電路工作點的漂移等原因，可能產(chǎn)生不準(zhǔn)確的測量，因此必須定期檢查和維護超聲波流量計。
日常檢查和維護工作包括信號強度和信號良好度檢查、傳輸時間和傳輸時差檢查、電流模擬輸出的檢查、定期校準(zhǔn)和校正，以及管道壁厚的變化。
6結(jié)束語
超聲波流量計是目前工程設(shè)計應(yīng)用中呈上升趨勢的流量計，在流量測量中發(fā)揮著重要作用。了解和掌握超聲波流量計的原理性能特性，注意選擇、安裝、使用和維護，可以達到準(zhǔn)確的測量目的。
祝賀山東龍潤通過CE認(rèn)證
版權(quán)所有©山東龍潤儀表有限公司