超聲波流量計(jì)在液體流量測(cè)量中的應(yīng)用
在石油、化工、水電等部門，對(duì)液態(tài)流體流量的檢測(cè)已成為生產(chǎn)中不可缺少的組成部分。要準(zhǔn)確地檢測(cè)流量就要依賴于有效的測(cè)試工具一流量計(jì)，傳統(tǒng)檢測(cè)方法和渦輪、孔板、電磁等流量計(jì)都需要將其傳感器安裝在管內(nèi)，并配一段安裝管，這不但不便于安裝，而且會(huì)引起流體的壓力損失、泄漏等問(wèn)題，尤其是對(duì)有毒、有腐蝕性、易爆及帶放射性介質(zhì)流體的測(cè)量顯得很不適應(yīng)。為此在管道外就準(zhǔn)確可靠地測(cè)量管道中流量的超聲波流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。超聲波流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓力損失小、使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。
1、超聲波流量計(jì)用于液態(tài)流體計(jì)量的優(yōu)點(diǎn)
與其它種類的流量計(jì)，如電磁流量計(jì)、渦流流量計(jì)、差壓流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等相比較，超聲波流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)屬非接觸式測(cè)量，換能器安裝在管道外壁，基本上不干擾流場(chǎng)，無(wú)壓力損失，可以測(cè)得真實(shí)流速又不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
(2)通用性好，在可測(cè)口徑范圍內(nèi)，同一臺(tái)流量計(jì)可測(cè)任何不同口徑的管道。測(cè)量口徑范圍一般為0.5~5m，有的可達(dá)10m，而且造價(jià)基本與口徑大小無(wú)關(guān)。
(3)適應(yīng)性強(qiáng)，使用范圍廣，它幾乎不受流體物理性質(zhì)的限制和影響，只要是超聲波能傳播的流體，即使是非導(dǎo)電的或是高粘度的流體都能測(cè)量其流速，除用于測(cè)量水、石油等一般導(dǎo)聲流體外，另外還可測(cè)量高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、非導(dǎo)電、易爆和放射性等導(dǎo)聲流體。
(4)無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)磨損，使用壽命長(zhǎng)，重量輕。
(5)靈敏度高，能檢測(cè)流速的微小變化，輸出特性線性范圍寬。
(6)安裝維修方便，不必中斷流體流動(dòng)，不影響生產(chǎn)。
(7)能進(jìn)行綜合測(cè)試，超聲波測(cè)量裝置不僅能測(cè)量流體的流速和流量，而且易于與微機(jī)及其它參數(shù)儀表(如壓力、轉(zhuǎn)速等)組合構(gòu)成監(jiān)測(cè)裝置，這一獨(dú)有的特點(diǎn)是其它測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)的。然而，超聲波流量計(jì)也存在不足之處，主要表現(xiàn)在低流速、小管徑而溫度條件、媒質(zhì)物理性能和流體流動(dòng)條件又很不穩(wěn)定的情況下，較難得到滿意的結(jié)果。
2、超聲波流量計(jì)的工作原理
超聲波流量計(jì)將一對(duì)換能器夾裝在管道兩側(cè)。通過(guò)超聲波在管道內(nèi)的順流及逆流兩種方式的發(fā)射及接收，測(cè)量出各自的傳播時(shí)間，得這兩種時(shí)間的差△T再依據(jù)流體理論，可準(zhǔn)確地測(cè)出管道中流體的流量。
式中θ1一超聲波在換能器中的發(fā)射角;
θ2一超聲波在管壁中的折射角；
θ3一超聲波在流體中的折射角;
v一流體流速;
D一一管道內(nèi)徑
C1、C2、C3一分別為超聲波在上述三種材料中傳播平均線速度;超聲波在換能器及管道壁中傳輸時(shí)間
平均面速度為:
式中K一流量修正系數(shù)，與流體雷諾數(shù)Re有關(guān)。
3、測(cè)量條件
(1)要使超聲波信號(hào)通過(guò)管壁，首先的條件是管子必須是聲的導(dǎo)體，絕大多數(shù)管是導(dǎo)聲的，包括所有的金屬、橡膠和玻璃管以及一些合成玻璃和水泥等均一性材料的管。大多數(shù)管子的護(hù)面如水泥、煤焦油、搪瓷及環(huán)氧樹脂等也是導(dǎo)聲的。為了不影響所獲得的信號(hào)，只要使塑料、橡膠村墊緊貼著管子的內(nèi)表面且襯面與管壁間無(wú)空氣間隙即可。
(2)測(cè)量流量時(shí)必須使管子的測(cè)量段充滿液體，這是使用超聲波流量計(jì)所必需的條件。因?yàn)?，無(wú)論管子是否充滿液體，超聲波流量計(jì)都是按滿管狀態(tài)計(jì)算流量的。
(3)正確選擇安裝位置，應(yīng)該遠(yuǎn)離有動(dòng)力、阻力的地方，如遠(yuǎn)離彎管段、三通、節(jié)流閥或泵、調(diào)節(jié)閥等部位。并且探頭安裝位置必須在管側(cè)面的正側(cè)線上，并且注意保證管表溫度不能超過(guò)發(fā)射器的額定工作溫度。對(duì)固定式超聲波流量計(jì)而言，傳感器安裝位置主要考慮前后直管段的長(zhǎng)度。對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)而言，測(cè)量位置一般選在被測(cè)儀表附近。
(4)合理采用安裝形式。在測(cè)量方法上應(yīng)根據(jù)管徑的大小選擇合理的傳感器安裝位置，通過(guò)聲波的多次折射延長(zhǎng)聲波傳輸距離，以便提高測(cè)量精度。
對(duì)于較大管徑(50mm以上)采用圖2所示安裝方法。并且，在這種安裝方法下信號(hào)為直接傳輸，無(wú)反射過(guò)程，僅一次穿過(guò)流體，所以，當(dāng)流體中氣體或固粒含量較多、銹層過(guò)厚、粘著表面狀況較差時(shí)，也可以采用這種安裝法圖3所示為標(biāo)準(zhǔn)安裝法，比第一種方法讀數(shù)更精確。因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)所要走的距離更長(zhǎng)，在管徑適中、介質(zhì)純凈、無(wú)顆粒時(shí)大多數(shù)情況下采用此法。發(fā)射器為同側(cè)安裝。對(duì)于較小管徑(50mm以下)可使超聲波在管內(nèi)折射兩到三次來(lái)完成測(cè)量，如圖4、5所示，通過(guò)延長(zhǎng)信號(hào)所走距離來(lái)提高△T測(cè)量精度。
4、測(cè)量誤差分析
利用超聲波流量計(jì)對(duì)液體管道流量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，影響流量測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素有:
(1)超聲波流量計(jì)本身的誤差，這部分誤差由流速測(cè)量誤差和時(shí)間累計(jì)誤差兩部分合成，是由超聲波流量計(jì)生產(chǎn)工藝和制造精度所決定的。經(jīng)計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定后確定修正值大小和準(zhǔn)確度等級(jí)。用戶根據(jù)使用要求選用
(2)被測(cè)管段內(nèi)橫截面面積的誤差測(cè)量δA。
式中內(nèi)徑D在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法直接測(cè)量，只能通過(guò)測(cè)量管外周長(zhǎng)(L，單位mm)和管壁厚度(b，單位nm)，輸入超聲波流量計(jì)，由超聲波流量計(jì)內(nèi)置運(yùn)算器處理。
內(nèi)橫截面面積的準(zhǔn)確程度取決于管外周長(zhǎng)和管壁厚的測(cè)量準(zhǔn)確度。對(duì)以上兩式求導(dǎo)，得
其中，△L=±1mm，△b=±0.1mm，將△L和△b代入(9)，得管外周長(zhǎng)和管壁厚度的測(cè)量對(duì)管內(nèi)徑測(cè)量的影響為△D=0.12mm。
所以，管內(nèi)橫截面面積測(cè)量的相對(duì)誤差為:δA=(△A/A)×100%=2(△D/D)x100%
因?yàn)椤鱀=0.12是一個(gè)常量，由式(10)可以看出內(nèi)橫截面面積的測(cè)量的相對(duì)誤差與管內(nèi)徑呈反比，隨著管徑的增大而減小。
若將以上兩個(gè)影響流量測(cè)量準(zhǔn)確度的主要誤差綜合考慮，超聲波流量計(jì)測(cè)量通過(guò)圓管液體體積的總不確定度為:δ=±√δB2+δA2x100%
通過(guò)以上對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量誤差的分析，可以知道，對(duì)于作為工作計(jì)量器具的固定式超聲波流量計(jì)來(lái)說(shuō)，除考慮超聲波流量計(jì)本身的準(zhǔn)確等級(jí)外，還要根據(jù)管徑大小計(jì)算其測(cè)量誤差。由于小管徑情況下管徑測(cè)量誤差較大，因此不可忽視，對(duì)于作為標(biāo)準(zhǔn)表來(lái)校準(zhǔn)其它流量?jī)x表，除應(yīng)考慮計(jì)算管徑測(cè)量誤差引起的流量測(cè)量誤差外，其本身的準(zhǔn)確度應(yīng)小于被測(cè)誤差的1/3~1/10，以保證其校驗(yàn)準(zhǔn)確度。除此之外，對(duì)于超聲波流量計(jì)換能器的入射角、振蕩頻率及安裝時(shí)對(duì)上、下游直管段長(zhǎng)度的選取也都會(huì)對(duì)測(cè)量精度有一定的影響，在應(yīng)用中要根據(jù)實(shí)際需要，合理選擇和安裝換能器。