插入式超聲波流量計在供水大口徑管道中的應用

穆全軍

摘 要 在供水系統計量中，工業流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，機械式水表使用較多，大管徑流量的水表存在誤差較大，計量不準，無校驗手段。本文探討在供水大口徑管道中應用超聲波流量計，并對該性能進行分析對比，提高供水計量的準確性。

關鍵詞 插入式；超聲波；供水；應用

前言

插入式超聲波流量計的應用技術近年來發展迅速，以其安裝方便、維護量小、適用量程范圍廣、無接觸測量等優點廣泛應用于石化行業。它克服了時差式電磁流量計應用在大口徑管道存在的儀表故障率高、計量不準確的缺點，滿足了計量的需要。根據現場應用的經驗對這種超聲波流量計的特性及應用中可能影響測量精度的一些問題進行分析。

1 超聲波流量計的工作原理及性能

（1）超聲波流量計的構成超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統三部分組成。超聲波發射換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和計算。實現流量的檢測和顯示。

（2）插入式超聲波流量計的特點測量管內無活動部件和阻流元件，無附加壓力損失；測量過程與液體的溫度、密度、壓力及導電無關；可采用不停水深入管壁內安裝方式；不接觸流量測量儀表，測量過程傳感器元件不接觸被測流體，不阻流，無腐蝕，壽命長。不受雜散點信號干擾；檢定周期為三年，其他流量計一般為半年或一年。插入式傳感器流量計，主要技術特點是不使用耦合劑，被測管道內壁垢對測量無影響，測量準確度達到1.0級，安裝是將聲頭插入至被測管道內部，從內壁看大約露出5mm左右，不阻流，不增加管道的壓力損失。聲頭帶有防護罩，用于能量轉換（電聲相互轉換）的壓電陶瓷通過該報護罩向被測液體發射和接收聲波信號，該報護罩起到了抗沖擊、防腐、耐磨作用，并具有良好的透聲性能[1]。

2 影響流量計測量精度的因素

（1）上下游直管段長度對測量精度的影響標定系數K是雷諾數的函數，流體從層流過渡到紊流，流速分布不均勻，標定系數K將產生較大的變化，引起測量精度下降，根據生產商要求，換能器應安裝在上游直管段為10D（D為管線直徑），下游直管段為5D的位置，對于上游存在泵、閥等設備時直管段的長度，要求“距離紊流、震動、熱源、噪音源和射線源越遠越好”。

（2）管道參數設置對測量精度的影響管道參數設置準確與否，與測量精度關系密切。如果管道材質及尺寸的設置與實際管道尺寸不相符，將造成理論管道流通截面積與實際流通截面積產生誤差，導致最終結果不準確；另外，換能器之間的發射間距是根據流體（聲速、動力黏度）、管道（材質和尺寸）、換能器的安裝方式等各種參數綜合運算的結果，換能器的安裝距離產生偏差，也會引起很大的測量誤差。其中管道內徑的設置和安裝距離對測量精度影響比較突出，據有關資料介紹，若管道內徑誤差±1%，則引起約±3%的流量誤差；若安裝距離誤差±1mm，將產生±1%以內的流量誤差。只有正確設置管道參數，換能器才能安裝準確，減少管道參數設置對測量精度的影響[2]。

（3）換能器安裝位置對測量精度的影響換能器的安裝有反射式（V型）和直射式（Z型）兩種方式。利用Z形法安裝聲束行程短，可以增強信號強度。我公司用于測量化纖循環水的兩臺流量計先后采用了兩種方式進行安裝，Z形的測量效果明顯優于V型，而且另外五個檢測點都采用Z形法安裝，測量效果比較好。另外，換能器必須安裝在與管線正切的方向，否則會影響聲波的發射和接收，進而影響測量精度。

（4）含氣量對測量精度的影響含氣量對測量數據也有很大影響。不溶氣體具有非常低的聲阻抗，可能造成聲束分散，含氣量大時，將減小聲波信號的強度，Vaer是該流量計表征含氣量的參數，通常狀態下Vaer<50。用于測量化纖循環水的兩臺流量計的換能器安裝位置不好，一臺泵前有一個大涼水池，泵距換能器間直管段小于10D，測量數據不穩定；另一臺泵距換能器間直管段距滿足了10D的要求，測量數據比較穩定。由于工藝操作的需要，每半個月循環水中要加入一次剝離劑，管道中含氣量大量增加。泵至換能器前直管段太短，氣泡嚴重影響測量，流量計停止工作，其間大概持續兩天時間。工況恢復正常時，流量計自動恢復工作。因此，要消除含氣量，必須保證換能器前后直管段的長度。

（5）耦合劑對測量精度的影響為了保證換能器和管道充分接觸，安裝換能器時需往管道表面均勻地涂一層耦合劑，一般厚度為2～3mm。應將耦合劑內的氣泡和顆粒擠出去，換能器的發射面應緊密地貼在管壁上。測量循環水的流量計大多安裝在水井中，安裝環境潮濕，有時會被水淹，如果選用一般的耦合劑，在很短時間內便會失效，影響測量精度。因此，必須選用特制的防水耦合劑[3]。

3 超聲波流量計安裝條件

（1）傳感器探頭軸線處于水平位置，插入式傳感器安裝時應盡可能在管道側面的正側線上，以避開上端的氣泡或底部的沉淀物。一般應安裝在水平、傾斜或垂直的管道中，垂直管道應選擇流動自下而上的管段，以防止測量點出現非滿管流情況。

（2）被測管道的內壁不應有嚴重的結垢、銹蝕。結垢、銹蝕層表面粗糙，影響管道內徑的確定尺寸，這一尺寸變化1%，將引起體積流量2%的誤差。選擇無結垢、無銹蝕管段作為測量點，是儀表測量精度的保證。

（3）被測流體為紊流狀態。超聲波流量計量測量的流速范圍在0～15m/s，從層流到紊流儀表系數有較大的變化，規定儀表的最低流速，以保證儀表性能的正常發揮[4]。

4 結束語

4.1 節約能源

儀表安裝后，不產生壓力損失，也不會干擾流體，是一種理想的節能儀表，尤其是在大流量計量時，節能效果更加顯著。

4.2 適用性強

大多數流量計都有口徑相配用的要求，口徑變化時必須更換相應口徑儀表。而插入式超聲波流量計對不同管徑不同流量范圍都可以適用。

4.3 解決大口徑計量難題

其他流量計目前最大口徑在1～3m，更大口徑計量尚無儀表可選。而插入式超聲波流量計可計量口徑達5～10m，是大口徑計量的唯一選擇。

參考文獻

[1] 聶梅生總，聶梅生，戚盛豪，等.水資源及給水處理：水工業工程設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2001：33-36.

[2] 汪光燾.城市供水行業2000年技術進步發展規劃[M].北京：中國建筑工業出版社，1993：3-11.

[3] 程達.流量計結構、使用、維修和檢定[M].北京：中國石油天然氣管道局，2015：55-56.

[4] JEMIS032-1987.超聲波流量計的流量測量方法[S].北京：中國標準出版社，1987.