超声波流量计的研究和应用 | |
作者：admin 录入：admin 2008-07-07 21:58:53   | |
超声波流量计由超声波换能器、电子转换线路、流量显示累积系统3部分组成。超声波换能器采用铸铁酸铅压电元件制作，利用压电效应发射和接收声波，通过检测流体对超声束（或超声脉冲）的影响来测量流体体积流量。 超声波流量计的原理：传递的声讯号穿过管道内流动的介质时，其传递速度受介质流动速度的影响。声讯号在2个传感器之间的传递时间取决于管道内介质的流速。一个声讯号通过上游的时间要比它通过下游的时间长。这个时间差值dt与管道内介质的流速vf成比例。如图1所示。 目前所使用的超声波流量计系统主要有以下两种工作原理： 1.1 速度法[1] 管道内介质流速vf按以下公式求得： vf=（L/2cosβ）[dt/（t1t2）] （1） 式中：t1，t2分别代表声讯号通过上游与下游时间；dt为声讯号通过上游与下游的时间差；L为声讯号通过路径长度；β为代表管轴线与L之间角度。 1.2 环呜系统法（Sing-around System）[2] 如果在两个不同的方向上比较两条脉冲链的频率差，这个脉冲差与流体速度也成比例。 这是流速的基频表示法，与流体中的声速无关。 以上两种对流体流速的算法的理论基础是相同的，其流体流速vf的理论值也是基本相同的。利用不同的二次仪表设置不同的流量系数均可显示其容积流量。 2 性能特点[3] （1）适用于各种管径流量的高精度计量，其流量和管径越大，精确度越高； （2）测量范围（量程比）很宽，一般为1:40~1:160，最大能达到1:300； （3）重复性很高，能实现双向流量计量； （4）流量计本体无压力损失，可精确测量脉动流； （5）节能，可大大降低长输管道增压费用； （6）不受沉积物或湿气的影响，无可动部件； （7）所需上下游直管段较短（上游为10D，下游为3D）； （8）无磨损，示值无零点漂移现象，偏移误差小； （9）动态计量范围宽； （10）不受涡流和流速剖面变化的影响； （11）不受压力、温度、分子量、气体组分变化的影响； （12）不需要重复标定。4 应用 4.1 计量流体体积流量 作为流量计使用时，其流量范围是很宽的，可以双向计量，对于黏度较高、甚至小流量的流体亦可计量。同时，它的维修费用较低。它没有机械零件处于管线之中，不受其他介质影响，不需要调整和控制，也不需停产操作。但是超声波流量计的精度依赖于介质特性。其补偿技术是必须的，为了简化补偿系数f，必须在管线上游保留10倍直径的直管段和在下游保留5倍直径的直管段。对于在一定安装条件和流体特性条件下可确定一个实际的流量系数进行补偿。 4.2 标定系统[6] 超声波气体流量计高精度的优点可以取代音速喷嘴，作为新的标定系统。虽然一套国外音速喷嘴标定系统的价格不超过200万美元，但是在线标定孔板系统时，需要专门的技术人员操作，操作非常繁琐，在线标定孔板系统时所造成的压损是无法克服的难题。使用Instromet公司的Q.Sonic型超声波流量计，投资大大降低，可以由一般技术人员轻松地进行无压损全量程的在线连续标定。 4.3 泄漏检测 在正常情况下输送管道的入口流量应完全等于该管道出口流量。如果不等，那么泄漏现象就一定存在。如果两计量仪表之间的计量读数改变并超过了额定精度，就可发现泄漏现象。计量仪表越精确，检测泄漏量也越准确。但是对于大口径管道检测时，由于有温度和压力的影响，其温度和压力变化的补偿量也须考虑。如一个DN1000的管线，其温度变化10℃，容积也相应变化0.8%。一个DN1000，长100km的管线在0.1MPa压力变化下能引起10m3的容积变化[7]。鉴于这种情况，两组流量计之间距离不得太长。其距离越短，越易检测出泄漏情况。 5 计量标定 在计量站设计阶段，还应注意流量计计量标定要求。超声波流量计的标定要求随使用而变化。超声波流量计生产厂家能够将规定的误差范围内的超声波流量计交付使用，不需要对流量计进行流量标定，而大部分交接使用要求的误差范围较小。 美国气体协会第9号报告[8]提供了两种不同的流量计标定方法，即零流量检验和流量标定。其中零流量检验测试检查超声波流量计的瞬时计量系统。在这种测试中，关闭流量计两端，用已知组分的气体对流量计本身进行加压。由于无气流，流量计测量测试气体的声速，并将计量结果与已知的理论值进行比较。这种测试虽然证明了超声波传送器和电子计时电路的功能，却不能证明超声波流量计在流动条件下的计量性能。零流量检验一般是在流量计最初进行流量标定和在现场安装之前进行。也可以在现场安装流量计之后定期进行。在流动条件下的流量计性能只能通过流量标定测试来检验。 6 误差分析 6.1 噪声影响 超声波流量计可能会受附近超声波噪声源的不利影响。这种噪声源包括减少可听见噪声的无噪声阀、压力调节器和管道的其他重要节流部件。流量计生产厂家正在积极地解决这个问题。计量站标志设计人员应向生产厂家请求协助。现场经验表明：最好找出流量计上游潜在的噪声源，在流量计和噪声源之间设置弯头会有助于减轻额外的超声波噪声。 6.2 流体清洁度影响 超声波传送器表面的堆积物（压缩机油、冷凝液等）可能会使装置不经过流体传送超声波脉冲。这可能会引起所谓的超声波路径“脱落”，路径“脱落”会增加计量误差。在测量气体流量时，气流中分散的液体也可能会减弱超声波信号，并使流量计完全丧失工作能力。因此气流的清洁度以及它对流量计内部的影响对流量计性能都是至关重要的[9]。 颗粒、铁锈、水分都不会影响流量计的测量，但是，一般要求液体含量不要超过5%，否则流体就变成两相流了，超出测量的范围。当脏物在管壁上沉积了以后，发射到接收的声程将变短。在这里，英斯卓美（Instromet）在处理上很巧妙，它依靠丰富的软件系统，利用流体的温度、压力、组分等参数测得正确的声速，并与显示的声速相比较，如果显示的声速改变了，就证明声程改变了，因此检测出了污物沉积，可报警提示。而对射式的流量计不具备这种功能，在第二代产品上利用双反射可以实现上述功能。 7 结束语 超声流量计从20世纪90年代开始在天然气工业中得到应用，其优异特性已引起了重视，但它只适用于中大口径，且价格昂贵。目前国内只有少数用户开始使用国外产的超声波流量计。在超声波流量计的研究与开发方面，荷兰的Instromet公司、英国的Daniel公司以及美国的Controlotron公司均做了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。 | |
本文章来自于：北京中瑞能仪表技术有限公司 | |
| 责任编辑：admin |
