超声波流量计原理及实际应用中地常见问题解析汇报(顾林)

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实用文档2012’中国油气计量技术论坛论文编号超声波流量计原理及实际应用中的常见问题解析顾 林中国石化仪征化纤股份有限公司联系电话:15852891086电子邮箱:gul.yzhx@sinopec.com二○一二年七月 超声波流量计原理及实际应用中的常见问题解析顾林(中国石化仪征化纤股份有限公司)摘要:超声波流量计是利用流体流动对超声波脉冲或者超声波束的信号调制作用,并通过检测信号的变化来获得体积流量的一种计量仪表[1]。针对目前普通超声波流量计在非满管、介质杂质复杂、特殊工况等情况下无法准确稳定运行这一问题,提出相应的解决方案。关键字:超声波流量计;超声波液位计;非满管;常见问题;多普勒法;时差法;1955年美国人利用“声循环法”(sing-around)原理,研制出MAXSONFLOWMETER超声波流量计,用来计量航空煤油,使超声波流量计逐步进入实用化。目前,各种超声波流量计已广泛用于工业生产、商业计量和水利检测等方面。1、超声波流量计工作原理超声波技术应用于流量测量主要依据是:当超声波入射到流体后,在流体中传播的超声波就会载有流体流速的信息。超声波流量计对信号的发生、传播及检测有着各种不同的设置方法,从而构成了不同原理的超声波流量计,其大致可分为传播速度差法(包括:时差法、相位差法、频差法),多普勒法,相关法、波束偏移法等等[2]。1.1、 时差法时差法实际上是将超声波传播速度和液体流速进行矢量叠加为基础的。可简单比喻为在河流上渡船摆渡的过程。虽然顺流和逆流时渡船自身的速度是一样的,但由于受水流速度的影响,顺流时渡船到达对岸所需的时间要比逆流的少(如图1-1)。流速越大,顺流的速度越快,而逆流所需的时间越长。顺流和逆流的时间差与流速成正比。在静止流体中=0,声脉冲传播时间。在流体流动时,顺流与逆流的传播时间和分别为: 图1-1 ;式1-1 ;式1-2式中 ——管轴线与声道之间的夹角,即声道角; ——声波在静止液体流体中的声速; ——流体在声道方向的速度分量; ——声程; ——流体沿管道轴向的流速。将上面两式中的,用和替换,那么;式1-3另一种表达方式,当时,则;式1-4只需测得和,即可得到声道上各点流速的平均值,即线平均流速。这并不是管道截面上流体的面平均流速(管道轴向平均流速)。下面简要介绍几种通过求取面平均流速值,得到体积流量Q值的计算方法。比尔盖尔法认为在流速低的层流范围内,圆管内流速呈抛物线分步,所测流速为真实流速的4/3倍。紊流范围的流速分布随雷诺数而变(,D为管内径,为流体运动黏度),越大,流体分布越均匀。比尔盖尔给出了与流速修正系数的关系为;式1-5则流量为;式1-6加权积分法随着多声道测流技术的出现,在测量断面上平行布置多个声道(4、8声道),将各声道测得的线平均流速乘以相应的加权系数进行加权积分,求得面平均速度。加权积分的方法较好地解决了流场分布于平均流速之间的关系(如图1-2)。 (i=1,2,3……,n);式1-7式中:——面平均流速; ——声道数;——第声道平均流速。 ——第声道加权系数,这个系数由流速分确定; 图1-2 由此求的流量:;式1-8但是,加权系数法是建立在对称分布流态基础上的,加权系数只适用于流态充分发展的状态下,不适用于非对称分布流态的流量测量。1.2、 多普勒法多普勒超声波流量计的工作原理如图1-3所示。发射换能器T发射一定频率的超声波到流动液体内的气泡和固体颗粒上产生散射波,散射波被接收换能器R所接收,其频率变化与粒子(或气泡)的移动速度成正比(由于换能器具有一定的指向性,所以接收的散射信号基本上是从管道中心附近发射来的)。多普勒频移和流速的关系为 ;式1-9式中——发射频率。从上式可看出,发射频率高则流速测量的图1-3 分辨力就高,通常为3MHz左右。把换能器T、R分别设置在与液体流动方向垂直的轴上,并且是对称的位置上。设置换能器T、R的指向方向与管道轴线的夹角分别为。那么,接收到的频率为;式1-10由于液体的声速为1500m/s左右,被测流速仅每秒数米,即,于是上式为:;式1-11而多普勒频移:;式1-12即通过测量,就可以测量P点的速度。设管截面积为S,管道轴线平均流速为,则流量q为;式1-13引入流量补偿系数,则 式1-14从上式不难看出,直接接受液体声速c的影响。下述方法可以消除由于液体温度变化带来的声速变化影响(如图1-4)。根据折射定律: 图1-4;式1-15式中 ——声楔材料声速; ——声楔的超声入射角; ——管材的声速; ——管材的折射角; ——流体的折射角; ——声道角;由此得下式:;式1-16 这就是说,如果采用声楔材料,将超声波辐射到液体中,可以与声速c无关地得到。由于超声从声楔的面入射,是一定得。是固体的声速,与流体的声速变化相比要小得多,实际应用中可以忽略[3]。2、 超声波流量的安装传感器安装合不合理直接决定超声波流量计能不能正常工作。安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时除保证足够的上、下游直管段外,尤其要注意换能器尽量避开有变频调速嚣、电焊机等污染电源的场合。在安装方式上,主要有对贴安装方式和V方式、Z方式三种(如图2-1)。多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式,时差式超声波流量计采用V方式和Z方式,通常情况下,管径小于300mm时,采用V方式安装, 管径大于200mm时,采用Z方式安装。对于即可以用V方式安装又可以Z方式安装的换能器,尽量选用Z方式。实践表明,Z方式安装的换能器超声波信号强度高,测量的稳定性也好。插入式传感器是集外夹式传感器与标准管段式传感器二者优点于一身的产品,解决了现场工况差影响超声波信号强度低这一缺点。图2-13、超声波流量计使用中常见问题3.1、故障现象:瞬时流量波动大。3.1.1、故障原因:信号强度波动大;被测流体本身波动大。3.1.2、处理方法:检查传感器安装方式及安装距离,调整传感器安装距离,提高信号强度,保证信号强度稳定;如果流体本身波动大,说明
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