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超聲波流量計(jì)工作原理及常見問題概述

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 超聲波流量計(jì)工作原理及常見問題概述

一、             工作原理
1
、 概述
超聲流量計(jì)是一個(gè)測量儀表,它利用聲學(xué)原理來測定流過管道的流體的流速。在氣體的測量現(xiàn)場主要的檢測元件包括一對或幾對超聲傳感器。這些傳感器都安裝在管壁上,每一組傳感器的表面都彼此具有規(guī)定的幾何關(guān)系。
由一個(gè)傳感器發(fā)射的超聲脈沖由同一組內(nèi)另一個(gè)傳感器接收,反過來也如此。Q.Sonic-3 采用了一個(gè)單反射聲道的方案,在對面的管壁處聲脈沖有一次反射。此方案使聲道的總長度增加,從而能改善分辨率(靈敏度)并拓寬流量計(jì)的范圍度.
2
、流速的測量
超聲脈沖穿過管道從一個(gè)傳感器到達(dá)另一個(gè)傳感器,就像一個(gè)渡船的船夫在橫渡一條河。當(dāng)氣體不流動時(shí),聲脈沖以相同的速度(聲速,C)在兩個(gè)方向上傳播。如果管道中的氣體有一定流速V(該流速不等于零),則順著流動方向的聲脈沖會傳輸?shù)每煨?,而逆著流動方向的聲脈沖會傳輸?shù)寐?。這樣,順流傳輸時(shí)間tD會短些,而逆流傳輸時(shí)間tU會長些。這里所說的長些或短些都是與氣體不流動時(shí)的傳輸時(shí)間相比而言;這樣就有:
L
tD = ——————— -------------- (2.1)
jC + V • cos

L
tU = ——————— -------------- (2.2)
jC — V • cos
式中,L代表兩個(gè)傳感器之間聲道的直線長度,可按下式確定L
L D
—— = ———— -------------- (2.3)
2
jsin
^
采用電子學(xué)手段來測量此傳輸時(shí)間。根據(jù)時(shí)間倒數(shù)的差,可按下式計(jì)算流速V
^ L 1 1
V = ————(—— — ——)-------(2.4)
 tD
j2cos tU
一般說來,沿管道橫截面的流速并不是一個(gè)固定不變的常量。在流過很長圓管的定常無渦流的流體中,流速僅是徑向位置的函數(shù)。通常稱此函數(shù)為充分發(fā)展的速度分布(剖面),可以用如下的半經(jīng)驗(yàn)冪律公式來近似它:

1
V(r)=Vmax(1— ——) n -------------
2.5
R
式中,r是在半徑上的位置,R是管道的半徑,n是雷諾數(shù)Re和管內(nèi)壁粗糙度的函數(shù)。對于光滑管道,可按下式來計(jì)算n
Re
n=2log10(——)— 0.8 ---------------(2.6)
n
按(3.4)式計(jì)算的流速是沿聲道的線積分:
1
L V(r)dL
òVL= ——  ----------------------(2.7)
L
換句話說,由儀表所測得的流速是在聲道方向上流體速度分量沿聲道的平均值。通常用戶感興趣的是流體沿管道橫截面S的平均流速Vm
1
Vm= sV(r)ds
òò——  ------------------(2.8)
S
如果V僅有一個(gè)垂直于S的速度分量,那么可根據(jù)下式來計(jì)算Vm
Vm=Kc • VL ----------------(2.9a
式中Kc代表所謂修正因子,它由下式來定義
1
V(r)ds
òò——
S
Kc = ——————— ------------(2.10)
1
—— V(r)dL
ò
L
一旦V(r),LS已知,修正因子就可以被計(jì)算出來。由于V(r)是雷諾數(shù)Re的函數(shù),因此修正因子也是Re的函數(shù)。
Check Sonic “
系列II”(Series-II)型流量計(jì)以具有一個(gè)調(diào)整因子fadjust為特色。在進(jìn)行流量校準(zhǔn)(標(biāo)定)后,可利用它對流量計(jì)進(jìn)行調(diào)整,或者是根據(jù)一個(gè)具有已知或可接受精度的參比量對輸出進(jìn)行調(diào)整時(shí),也需利用它。從1998年元月1日后發(fā)運(yùn)的所有流量計(jì)都已具備該特點(diǎn)。在計(jì)算平均流速Vm時(shí),已同時(shí)采用了調(diào)整因子:
Vm=fadjust • Kc • VL ---------------(2.9b)

二、            
3
體積流量的計(jì)算
在管道流動狀況下的體積流量QLine按速度分布修正后的氣體的平均流速Vm乘以測量管的內(nèi)橫截面的面積A
D2
p
QLine = Vm • A = Vm • —— -----------(2.11)
4
在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量QBase按下式計(jì)算:
Zo P To
QBase = —— • —— • —— • QLine -------------(2.12)
Z Po T
式中:
Zo,Po,To
是在標(biāo)準(zhǔn)(或參比)狀況下氣體的壓縮因子,壓力和溫度;
Z
,P,T是在管道流動(或計(jì)量)條件下氣體的壓縮因子,壓力和溫度。

4
、超聲波流量計(jì)的應(yīng)用
超聲波流量計(jì)在應(yīng)用中,需要注意以下幾個(gè)方面的問題:
4.1
正確選擇
這是超聲波流量計(jì)能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng),或會造成流量無法測量,或者用戶使用不做便等后果。具體選型原則,前面已做了詳細(xì)的介紹。
4.2
合理安裝
換能器安裝不合理是超聲波流量計(jì)不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個(gè)問題。確定位置時(shí)除保證足夠的上、下游直管段外,尤其要注意換能器盡量避開有變頻調(diào)速囂、電焊機(jī)等污染電源的場合。在安裝方式上,主要有對貼安裝方式和V方式、Z方式三種,如圖3。多譜勒式超聲波流量計(jì)采用對貼式安裝方式,時(shí)差式超聲波流量計(jì)采用V方式和Z方式,通常情況下,管徑小于300mm時(shí),采用V方式安裝, 管徑大于200mm時(shí),采用Z方式安裝。對于即可以用V方式安裝又可以方式安裝的換能器,盡量選用Z方式。實(shí)踐表明,Z方式安裝的換能器超聲波信號強(qiáng)度高,測量的穩(wěn)定性也好
4.3
及時(shí)核校
對于現(xiàn)場安裝固定式超聲波流量計(jì)數(shù)量大、范圍廣的用戶,可以配備一臺同類型的便攜式超聲波流量計(jì),用于核?,F(xiàn)場儀表的情況。一是堅(jiān)持一裝一校,即對每一臺新裝超聲波流量計(jì)在安裝調(diào)試時(shí)進(jìn)行核校,確保選位好、安裝好、測量準(zhǔn);二是對在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)發(fā)生流量突變時(shí),要利用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行及時(shí)核校,查清流量突變的原因,弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實(shí)發(fā)生了變化。

二、超聲波流量計(jì)使用中常見問題:
1
、 超聲波流量計(jì)探頭使用一段時(shí)間,會出現(xiàn)不定期的報(bào)警。尤其是輸送介質(zhì)雜質(zhì)較多時(shí),這種問題會較常見。解決辦法:定期清理探頭建議一年清理一次。
2
超聲波流量計(jì)輸送介質(zhì)含有水等液體雜質(zhì)時(shí),流量計(jì)引壓管容易產(chǎn)生積液,氣溫較低時(shí)會出現(xiàn)引壓管凍堵現(xiàn)象,尤其在北方地區(qū)冬季較常見。解決辦法:對引壓管進(jìn)行吹掃或加電伴熱
各種參數(shù)或變量的定義:
A
管道或流量計(jì)的橫截面積;
C
聲速;
D
管道或流量計(jì)的內(nèi)(直)徑;
Fadjust
調(diào)整系數(shù)(通常是根據(jù)流量標(biāo)定結(jié)果來確定);
KC
修正系數(shù)(與雷諾數(shù)Re 有關(guān));
KZ
一個(gè)恒定不便的壓縮因子;
L
在一對傳感器(超聲探頭)之間聲道的長度(聲程);
P
在管道流動條件下的壓力(絕壓);
PO
在基準(zhǔn)(參比)條件下的壓力(絕壓);
Qline
在管道流動條件下的體積流量(實(shí)際體積流量);
QBase
修正到基準(zhǔn)(參比)條件下的體積流量;
S
管道的橫截面;
T
在管道流動條件下的溫度;
TO
在基準(zhǔn)(參比)條件下的溫度;
TD
聲音從上游探頭到下游探頭的傳輸時(shí)間;
TU
聲音從下游探頭到上游探頭的傳輸時(shí)間;
V
氣體的流速;
VL
沿聲道的平均流速;
Vm
氣體的平均流速(在管截面上的平均流速);
V(r)
沿管道半徑在某點(diǎn)處的流速;
Z0
在基準(zhǔn)(參比)條件下的壓縮因子;
Z
在管道流動條件下的壓縮因子;
 
在管道軸線與聲道之間的夾角。j

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