欢迎来到大胜彩票官网 企业风采| 收藏本站| 愿景使命
咨询服务热线
0517-86996066
18915186518

热点资讯

咨询热线:

0517-86996066

邮件:

电话:

地址: 江苏华云仪表有限公司

超声波流量计的原理与应用



  超声波流量计在工业上具有广泛应用, 具有适合大口径测量、安装维修方便、通用性好等诸多优点。文章介绍了超声波流量计硬件组成, 分析了超声波流量计的工作原理和传感器的几种安装方式, 阐述了超声波流量计在选型、安装、调试过程中的注意事项。
在工业生产过程控制中, 流量是一项重要的基础数据。流量测量通过流量计实现, 根据测量原理, 流量计可分为质量流量计、节流式流量计、容积式流量计、电磁流量计涡街流量计、超声波流量计等类别。其中, 在测量大口径管线介质流量时, 超声波流量计的应用最为广泛。在中国石油锦州石化公司, 新水、循环水流量大多使用超声波流量计进行测量。这种流量计安装维修方便、通用性强, 在生产数据统计、节能降耗管理中具有广泛应用。
1、超声波流量计的工作原理:
1.1、硬件组成:
  通常超声波流量计的测量系统由传感器 (换能器) 和变送器 (流量显示累积系统) 2部分组成。传感器为铸铁酸铅压电元件, 利用压电效应, 通过传感器发射并接收声波。介质流动时, 对声波产生影响, 通过检测产生的影响情况, 计算出流量大小。
按照传感器的安装方式, 常见的超声波流量计可分为插入式、外夹式和便携式3种类型。插入式超声流量计采用陶瓷传感器, 使用专用钻孔装置进行不停产安装, 一般为单声道测量。外夹式超声流量计采用专用耦合剂安装, 安装时不损坏管路, 能够完成固定和移动测量。便携式超声波流量计便携使用, 内置可充电锂电池, 配接磁性传感器, 适合移动测量, 常用来进行流量标定。
1.2、测量基本原理:
  超声波流量计的传感器有2只, 在工作时, 2只传感器互相发射、接收超声波信号。通过数字处理技术以及时差探测法, 测量出流体流速对超声波信号传输时间产生的影响, 如图1所示。
图1 超声波流量计测量基本原理图
图1 超声波流量计测量基本原理图
 
  我们将上游传感器探头T1发射的超声波信号被下游传感器探头T2接收的时间记为t1, 将下游传感器探头T2发射的超声波信号被上游传感器探头T1接收的时间记为t2。当管线介质静止时, t2-t1=0。当管线介质流动时, 流体流速对超声波信号的传输产生影响, 导致上游到下游的超声波信号传输速度加快, 下游到上游的超声波信号传输速度减慢, 即t2-t1=Δt。通过两个信号之间的时间差计算得到流体流速, 再乘以管线横截面积, 即计算得出流体的体积流量[1]。
流体流速的基本计算公式为:
计算公式
 
  式中:v为流速;k为标定系数;Δt为上下游传感器信号接收的时间差;t为测量得出的超声波穿过流体的平均时间。
1.3、安装与调试:
1.3.1、Z法安装:
  Z法安装即单行程测量, 指声波只经过一个声程就已完成测量, 可以获得较强的信号, 如图2所示。
图2 Z法安装示意图
图2 Z法安装示意图
1.3.2、V法安装:
  V法安装即双行程测量, 是指两只传感器同向安装, 声波经对侧管道反射后接收, 共有2个声程, 如图3所示。
图3 V法安装示意图
图3 V法安装示意图
 
1.3.3、W法安装:
  W法安装即多行程测量, 泛指经过3个或3个以上声程的测量方法, 优点是可以获得较高的测量精度, 缺点是信号较弱, 只适用于管道条件较好的情况, 如图4所示。
图4 W法安装示意图
图4 W法安装示意图
 
2、超声波流量计的主要优点:
2.1、安装维护方便:
  超声波流量计传感器直接安装在工艺管线外壁上, 不需要法兰、缩径、副线等, 对管线内介质流动不产生任何影响, 方便安装、调试、拆卸, 方便日常维护。
2.2、通用性能较好:
  由于超声波流量计安装不需要打开工艺管线, 故同一台超声波流量计可以安装在不同管径的工艺管线上, 具有较好的通用性[2]。
2.3、测量范围较大:
  从测量口径方面, 需要打开管线安装的流量计, 口径通常在DN500以下, 而超声波流量计可测量DN2000管线内的流体流量;从量程方面, 超声波流量计的测量范围广, 优于其他类型的流量计。
2.4、应用范围广泛:
  超声波流量计传感器不直接接触工艺介质[3], 所以对于强腐蚀性、有毒有害、非导电介质等, 超声波流量计同样适合。
3、超声波流量计的安装与调试:
3.1、超声波流量计的安装条件:
  根据超声波流量计的工作原理, 可以看出, 电磁干扰和涡流对测量精度有很大影响。故此, 安装时应避免这两项干扰。通常安装位置应具备以下条件。
(1) 直管段充分, 安装位置上游直管段大于10D, 下游直管段大于5D[4]。
(2) 安装位置距上游水泵距离大于30D。
(3) 流量计传感器、变送器、连接电缆等各部分应远离水泵等具有强磁场和强振动的机器设备[5]。
(4) 传感器安装位置的管壁薄厚均匀、材质致密, 便于超声信号传播。
(5) 确保流体充满管道, 避免出现气泡、杂质。在竖直管道安装时, 选择流体自下而上流动的管道。
(6) 便于人员操作、检修、维护。
3.2、超声波流量计的调试:
  流量计安装到位后, 在正式启动之前, 要进行参数设置, 包括安装方式、管道直径、管道壁厚、管道材料、介质类型、探头间距、测量量程、计量单位等。远传至DCS的超声波流量计, 还要进行信号联校, 确保流量数据能准确传输到DCS。
  超声波流量计要定期进行检查, 检查传感器与管线的连接是否紧密, 检查流量测量信号是否稳定。条件具备时, 可使用便携式超声波流量计测量管线介质流量, 与固定式超声波流量计流量进行比对, 检验固定式超声波流量计计量是否准确。
4、常见故障原因分析与处理:
  同其他工业设备一样, 超声波流量计运行较长时间后, 难免会出现一些问题, 对准确计量造成影响。这时, 我们就要根据不同的故障现象, 分析问题原因, 及时调试、检修。
4.1、没有检测信号:
  检查传感器探头与管道是否出现连接不紧密的情况, 在工艺上考虑是否管线内壁结垢太厚影响信号传输。
  当传感器探头与管道连接不够紧密时, 要确保管道表面干净, 无锈迹, 无油漆, 使用充足的耦合剂连接探头与管道, 保证没有气泡、连接紧密。当管线内壁结垢时, 在无法清除结垢的情况下, 可以在满足安装条件的前提下更换测试点, 使其满足测量需要。
4.2、接收信号强度低:
  检查直管段距离是否足够, 检查附近是否有变频器干扰, 检查传感器与变送器的连接线是否过长。
  若直管段距离不够, 需重新选取恰当的测量点;若附近有变频器干扰, 需重新规划流量计和变频设备的安装位置, 避免流量计受到影响;若传感器与变送器的连接线过长, 也可能会造成信号衰竭, 应对连接线进行屏蔽。
5、结束语:
  在工业实际应用中, 特别是在大口径、高压力、介质稳定的管线中, 超声波流量计有着其他类型流量计所没有的优势。此外, 超声波流量计日常维护所投入的费用并不昂贵[6], 可谓大口径计量的首选计量设备。随着超声波流量计的不断发展、完善, 超声波流量将得到更加广泛的应用[7]。