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  • 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理的選擇

    發(fā)布時(shí)間:2014.02.25 新聞來源:超聲波流量計(jì)_超聲波明渠流量計(jì)_多普勒流速儀-南京卓瑪機(jī)電有限公司 瀏覽次數(shù):
    條件
    傳播時(shí)間法
    多普勒法
    適用液體
    水類(江河水,海水農(nóng)業(yè)用水等),油類(純凈燃油,潤滑油,食用油等),化學(xué)試劑,藥液等
    含雜質(zhì)多的水(下水,污水,農(nóng)業(yè)用水等),漿類(泥漿,礦漿,紙漿化工料漿等),油類(非凈燃油,重油,原油等)
    適用懸浮顆粒含量
    體積含量<1%(包括氣泡)時(shí)不影響測(cè)量準(zhǔn)確度
    濁度>50-100mg/L
    儀表基本誤差
    帶測(cè)量管段式
    ±(0.5-1)%R
    ±(3-10)%FS
    固體粒子含量基本不變時(shí)±(0.5-3)%
    濕式大口徑多聲道
    濕式小口徑單聲道 ±1.5%R-±3%R
    夾裝式(范圍度20:1)
    重復(fù)性誤差
    0.1%-0.3%
    1%
    信號(hào)傳輸電纜長度
    100-300m,在能保證信號(hào)質(zhì)量的前提下,可以小于100m
    <30m
    價(jià)格
    較高
    一般較低

      此外,對(duì)于外夾裝式儀表還要考慮管壁材料和厚度、銹蝕狀況、襯里材料和厚度;對(duì)于現(xiàn)場安裝換能器式儀表要考慮換能器類型;對(duì)于大管徑傳播時(shí)間法儀表要考慮聲道數(shù),等等。下文將分節(jié)討論。

    4.2 適用懸浮顆粒含量的范圍
        多普勒法USF要比傳播時(shí)間法適用懸浮顆粒含量上限高得多,而且可以測(cè)量連續(xù)混入氣泡的液體。但是根據(jù)測(cè)量原理,被測(cè)介質(zhì)中須***含有一定數(shù)量的散射體,否則儀表就不能正常工作。
    傳播時(shí)間法USF可以測(cè)量懸浮顆粒很少的液體,但不能測(cè)量含有影響超聲波傳播的連續(xù)混入氣泡或體積較大固體物的液體。在這種情況下應(yīng)用,應(yīng)在換能器的上游進(jìn)行消氣、沉淀或過濾。在懸浮顆粒含量過多或因管道條件致使超聲信號(hào)嚴(yán)重衰減而不能測(cè)量時(shí),有時(shí)可以試降低換能器頻率,予以解決。

    4.3 測(cè)量準(zhǔn)確度
    (1) 傳播時(shí)間法
      傳播時(shí)間法比多普勒法有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度,液體基本誤差為±0.5%R至±5%FS,重復(fù)性為0.1%R-0.3%R;氣體基本誤差為±0.5%R到±3%FS,重復(fù)性為0.2%R-0.4%FS,高精度儀表均為多聲道儀表。中小口徑液體管段式超聲流量傳感器通常都用水做實(shí)驗(yàn)校驗(yàn),具有±0.5%R的高精度。管外夾裝換能器或在現(xiàn)場管道固定安裝換能器的儀表,要通過定標(biāo)計(jì)算接入現(xiàn)場管道流通面積和傳播距離長度測(cè)量誤差,夾裝在管道的不確定性,聲耦合變化等因素,要降低些。若安裝調(diào)試粗糙不細(xì)致,測(cè)量準(zhǔn)確度有可能低到5%,甚至更低。測(cè)量準(zhǔn)確度還取決于聲道數(shù)設(shè)置及其布置位置,下文將進(jìn)一步討論。
    (2) 多普勒法
      典型儀表的基本誤差為±(1%-10%)FS,重復(fù)性為(0.2%-1%)FS。工業(yè)用多普勒法USF的超聲波頻率為0.5-2MHz。多普勒信號(hào)包含著不同散射體移動(dòng)速度的頻譜,檢測(cè)電路提供多普勒頻移若干平均測(cè)量值以求的速度。所測(cè)的散射體速度和流體平均流速之間的關(guān)系,隨著不同狀況而變化,有一定不確定性。
      多普勒法USF性能因受以下一些原因所形成的因素影響,整體性能要比傳播時(shí)間法低得多。例如:散粒體的性質(zhì);非軸向速度分量形成的多普勒頻移增寬;被照射域位置的不確定性;散射體和基相液體間的滑差。因此有些制造廠的技術(shù)數(shù)據(jù)僅列出儀表的重復(fù)性而不列測(cè)量準(zhǔn)確度或基本誤差。
    流體運(yùn)行流速不能過低,過低的流速會(huì)使離散體分布不均勻。若測(cè)量管水平安裝,氣體會(huì)浮升在頂部流動(dòng),顆粒會(huì)沉淀于底部。***低流速通常為0.1-0.6m/s。

    4.4 聲道設(shè)置和直管段要求
      多普勒法USF通常只有單套發(fā)送和接收換能器;便攜式外夾裝換能器傳播時(shí)間法USF通常也只有單聲道,其他夾裝式則也有用雙聲道者,帶測(cè)量管段式有單聲道和雙聲道以上。
    (1) 傳播時(shí)間法
      傳播時(shí)間法采用多少聲道的主要依據(jù)是測(cè)量準(zhǔn)確度要求和安裝儀表管段流動(dòng)狀況(取決于上游阻流件組成和直管段條件),以及管徑大小。例如BS7405推薦管徑大于0.5m用3或4聲道,達(dá)于3m則用8聲道
    單聲道從單一路徑的線平均流速乘上系數(shù)代表平均流速。單一路徑聲道的換能器設(shè)置通常是通過管道中心,即在橫截面投影圓的直徑上,其系數(shù)即如圖10.2所示。也右聲道設(shè)置在弦的位置上。流動(dòng)速度分布畸變和存在徑向速度分量(如渦流、二次流)則會(huì)改變?cè)撓禂?shù)值,弦位置的影響比直徑位置的影響小。多聲道測(cè)量多路徑線平均流速,更減少流動(dòng)畸變影響,提高測(cè)量精度。
      確定聲道數(shù)有的可按儀表樣本規(guī)范選擇(如管段式USF,除單聲道外較多采用雙聲道計(jì)量聲道以上),有的則向儀表制造場聯(lián)系磋商(如現(xiàn)場安裝式USF,特別是大管徑應(yīng)用,通常為3-8聲道)。
    為了獲得流體沿管道中心平行對(duì)稱地流動(dòng),測(cè)量點(diǎn)上下游要有足夠的長度直管段作有效整流。不能滿足時(shí)應(yīng)設(shè)置流動(dòng)調(diào)整器。
      傳播時(shí)間法USF直管段長度要求尚未有******標(biāo)準(zhǔn)或******標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值,應(yīng)按制造廠提供的規(guī)定。表2例舉幾個(gè)不同來源提出的要求,可作為選型時(shí)的一般依據(jù)。
    (2) 多普勒法

    上游管路阻流件種類 單聲道***短長度例一(1) 單聲道***短長度例二(2) 雙聲道***短長度(3)
    上游
    下游
    上游
    下游
    上游
    下游
    同心漸縮管
    10
    5
    15
    5
    無要求
    無要求
    同心漸擴(kuò)管
    30
    5
    1個(gè)90度圓角彎管
    10
    5
    20
    5
    10
    5
    T形管
    50
    10
    2個(gè)90度圓角彎管
    25
    5
    10
    5
    2個(gè)90度直角彎管
    40
    5
    10
    5
    全開閘閥
    20
    5
    各類閥(包括控制閥)
    30
    10
    50
    5
    15
    5
    50
    無要求
    (1)參考文獻(xiàn)[4];(2)Westinghouse公司樣本(3)Krohne公司樣本。

      對(duì)多普勒法USF的直管段要求也沒有******標(biāo)準(zhǔn)和******標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。人們對(duì)多普勒法USF直管段要求程度在看法上也迥然不同。一種看法認(rèn)為:從原理上講多普勒法僅測(cè)量“照射域”內(nèi)散射體的流速,其測(cè)量值受流速分布影響比傳播時(shí)間法大。為了盡量減少這種影響,除了采取其他一些方法外,還應(yīng)保證照射測(cè)量域的上下游有足夠長度的直管段,以得到較好的流動(dòng)狀態(tài)。例如日本電氣計(jì)測(cè)工業(yè)會(huì)認(rèn)為多普勒法USF所需直管段長度一般應(yīng)是傳播時(shí)間法的1.5倍。然而另一種看法是:多普勒法USF本身測(cè)量準(zhǔn)確度等性能較低,流速分布影響相對(duì)于總體測(cè)量準(zhǔn)確度不重要,直管段要求反而降低。例如有儀表制造廠提出只要在測(cè)量點(diǎn)上下游保持大于3-5DN的直管段。
    4.5 換能器類型的選擇
    (1) 傳播時(shí)間法
      本類儀表可采用換能器的類型較多,各廠家換能器結(jié)構(gòu)不同,適用的流體條件(溫度、壓力等)、管道條件(材質(zhì)、形狀、管徑、直管長度等)和安裝條件等也不相同。此外還與聲道的設(shè)置方法有關(guān),而聲道的設(shè)置方法又與測(cè)量精度和重復(fù)性等密切相關(guān)。氣體用USF因固體和氣體界面間超聲波傳播效率非常低,只能用直射式換能器。因此氣體流量測(cè)量一般不采用外夾裝式USF。

    (2) 多普勒法
    本類儀表用的折射式換能器。目前國內(nèi)產(chǎn)品大部分采用夾裝式,但與傳播時(shí)間法所用的夾裝式換能的發(fā)射頻率等技術(shù)性能不同,不能混用。然而兩者適用管道條件是基本相同的。

    4.6 安裝布置方面的考慮
    1) 安裝位置和流動(dòng)方向 USF的流量傳感部分(超聲流量傳感器或超聲換能器)一般均可安裝于水平、傾斜或垂直管道。垂直管道***好選擇自下而上流動(dòng)的場所,若為自上而下,則其下游應(yīng)有足夠的背壓,例如有高于測(cè)量點(diǎn)的后續(xù)管道,以防止測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)非滿管流。
    2) 單向流還是雙向流 通常為單向流,但也可通過較復(fù)雜電子線路,設(shè)計(jì)成雙向流動(dòng),此時(shí)流量測(cè)量點(diǎn)兩側(cè)直管段長度均應(yīng)按上游直管段的要求布置。
    3) 管道條件 外夾裝式USF管道內(nèi)表面積沉積層會(huì)產(chǎn)生聲波不良傳輸和偏離預(yù)期聲道路徑和長度,應(yīng)予避免;外表面因易于處理較少影響。夾裝式換能器和管道接觸表面要涂上耦合劑。應(yīng)注意粒狀結(jié)構(gòu)材料(例如鑄鐵、混凝土)的管道,很可能聲波被分散,大部分聲波傳送不到流體而降低性能。換能器安裝處管道襯里或銹蝕層與管壁之間不能有縫隙。用V法的反設(shè)處須***避開焊縫和接口(參見圖11)。
     

    4) 上游流動(dòng)擾動(dòng) 與大部分其他流量儀表一樣,USF敏感于流過儀表的流速分布剖面,因此也要求相當(dāng)長度的上游直管段。前文已對(duì)直管段要求作了討論。

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