超聲波流量計測量原理及實際應用修正研究

梁黎黎 (安徽建筑工業學院數理系,安徽合肥230001)

1 多普勒式超聲波流量計原理

圖1 多普勒式示意圖

圖2 多普勒式原理圖

圖1是多普勒式超聲波流量計的原理示意圖 (用的發射器和接收器為同一個點,根據安裝方法的不同,發射器、接收器也可以相對位置改變)。含雜質的流體以u速度沿管道流動,流體主要為液體,超聲波在流體中速度用v表示,超聲波發射探頭和接收探頭同為一個壓電換能器,超聲波的發射方向v與流體速度u方向夾角用θ表示 (圖2),超聲波在流體中的傳播速度由流體介質的特性決定,隨著流體的溫度或成分的改變,超聲波的傳播速度有所變化,但相對u的大小都是很大的,可以認為|v|?|u|,超聲波在流體內傳播的過程中,會與流體中的雜質相遇,雜質與流體之間有界面存在,對超聲波形成反射,壓電換能器會接受部分反射波,換能器可以把聲波轉換成電信號,通過對發射波與反射波頻率的對比,可以得出流體的流速,從而得出流量。

超聲波發射的頻率用 f1表示,在超聲波傳播速度v方向有速度分量ucosθ,可以理解為雜質以ucosθ速度相對波源在波速方向上運動,利用多普勒方程雜質接收到的超聲波頻率f2為:

接收器接收到的雜質反射的超聲波的頻率f3為:

發射器、接收器的頻率差為:

由|v|?|u|得壓電換能器探頭接收波與發射波的頻率差Δf:

從而得流體速度:

流量方程為:

式中,S表示管道橫截面積;Q表示流量結果。

式 (1)～(6)分析的為含雜質的滿管流體的流量問題,現實中可能出現流體只有管道的一部分,可以另外用超聲波測出流體高度,進一步修正流量,后面再進一步討論。

2 時差式超聲波流量計原理

時差式超聲波流量計是利用2臺壓電換能器相互向對方發射超聲波,對方接收并記錄時間差,由于聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的速度不同,時間差可以準確反映流體速度,從而推算出流量。這種方法多用于純凈液體或氣體的測量。圖3為時差式流量計示意圖。

圖3 時差式流量計示意圖

換能器1向換能器2發射超聲波信號,這是順流方向,其傳播用時間t1為:

反之,逆流方向的傳播時間t2為:

時間差為:

由于v?u,所以流速:

進而求得流體流量:

3 實際應用中的修正

上面分析的是理想狀態的管道流量,實際應用中常出現管道不滿、流速不均、雜質成分復雜多變的情況,上面的分析要加以修正,下面從管道內介質不滿、流速不均2方面加以討論。

1)管道內介質不滿 對于管道內介質不滿的情況,可以增加一組超聲波深度探測儀解決,如圖4所示,主要用于修正管道流量的橫截面大小。這種安裝方法對于較單一的流體有用,如果流體雜質較多,可以采用將超聲波深度探測儀放置于管道上方,測量管道中空氣層的厚度,推算出流體的厚度從而得出流體橫截面積。

2)管道內流速不均 對于粘滯系數較大的流體,會出現管道內流速不均的現象,可以采用多組超聲波流量計測量的方法,分別測出ds面內流速,從而推算出整個管道的流量,如圖5所示。

圖4 對流體非滿充狀態下的修正示意圖

圖5 多路超聲波流量計同時測量

4 安裝方法

按超聲波流量計的測量監測時間長短分為固定式和便攜式,2種對信號的采集傳輸、電源的要求、安裝方式上有所不同,主要根據對管道流量的測量要求而定。固定式適合長期監測跟蹤某固定點的流量,要求電源穩定,對采集的信號要有存儲、傳輸的能力;便攜式一般電池供電就可以了,信號采集通常人工完成,對信號存儲、傳輸能力要求不高。從安裝方法上分為:外貼式、插入式。外貼式方便靈活,但有時粘貼不牢有空氣縫隙存在,產生誤差;插入式安裝可靠但安裝方法上要求在管道上鉆孔,或斷管處理,安裝比較繁瑣但安裝后一般可靠性較好。從安裝位置上分為對貼方式、V式、Z式,如圖6所示。

圖6 流量計探頭安裝位置示意圖

對貼式中發射波的傳輸方向的改變,是由流體內雜質反射帶來的,所以對貼式多適用于含雜質的流體,對貼式、V式適合多普勒型的流量儀,V式、Z式多用在密度均勻的流體中,適合時差式流量儀。從信號的強度損耗來看,對貼式和V式超聲波在流體中傳播路徑較長,損耗大,這2種適合管徑較小 (?≤0.2m)的管道,對大管徑的管道 (?＞0.2m)一般以Z方式居多,這種方式信號能量損耗小、強度高,穩定性相對較高。

安裝之后對每一臺新裝超聲波流量計要及時進行核校,做到選位準確、安裝牢固、測量可靠;對在線運行的超聲波流量計發生流量突變時,要同時采集位置前后的流量計的數據,分析數據變化,判斷是管道流量的變化引起的還是流量計故障引起數據突變,對流量計故障要及時排查。

超聲波流量計的維護量與其他流量儀表相比,是比較小的。對于外貼換能器超聲波流量計,安裝正常后無液體壓力損失,無潛在漏液,只需定期檢查換能器是否松動、與管道之間的粘合劑是否良好即可;對插入式超聲波流量計,要定期清理探頭上沉積的雜質、漏液現象;如果是一體式超聲波流量計,要檢查流量計與管道之間的法蘭鏈接是否良好,并考慮現場溫度和濕度對其電子部件的影響等。定期維護可以確保超聲波流量計的長期穩定運行。

5 結 語

隨著現代工業的高速發展,超聲波流量計也在多個領域有了越來越多的發展,超聲波流量計具有高精確度和低成本,不論是從技術上還是從經濟上看,超聲波測量儀器都是流量測量的理想選擇。通過多通道和數字信號處理,超聲波測量儀可以實現很高的測量精確度,其高靈敏度使其可以檢測到管道中的任何泄漏。

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