您好,欢迎访问上海升隆电子科技有限公司官网!咨询热线:021-39152202 51078419

超声波流量计结构特点及合理选型的分析探讨

时间:2017-05-19 16:20 来源:http://www.shslgs.com 点击数:

文章探讨了超声波流量计的主要结构特点,以及根据被测量对象的工作条件、测量参数,正确选择超声波流量计传感器的类型,从而确定其安装位置和安装方式;并从使用条件、测量精度、被测介质温度及压力、传感器耐温等级等方面,对超声波流量计进行选型。

         用声学测量技术测量流体流量已有几十年的历史,特别是20世纪90年代以来,随着高速数字信号处理技术和先进的压电陶瓷技术的发展,超声波流量计在测量液体、气体和蒸汽等领域取得了突破性进展。超声波流量计出现的时间不长,但却得到了广泛的应用。超声波流量计可以用许多方法来实现,目前,最基本、最普遍、最实用的两种方法是时差法和多普勒法。

        时差法:当超声波在液体中传播时,顺流方向声波传播时间小于逆流方向传播时间,其时间差与流速成正比。这种方法在工业界应用已有30多年的历史。它具有精度高、可靠性好的特点,除了测量体积流量之外,同时还能导出超声波在被测流体中的传播速度。

        多普勒法:以物理学中的多普勒效应为理论基础,发射器向流体发射声波信号,如果流体中有固体颗粒或是气泡存在,则会产生散射。当管道内的流体流动时,散射出来的声波信号频率和发射的声波频率是不一样的,其频率差正比于流体中颗粒的运动速度,即流体的速度。这种方法需要流体中含有发射物资,由于在流体中发射物资的发射性能不稳定,到目前为止,这种方法仅能在少数场合得到应用。

        1.超声波流量计的特点

        1.1 优势

        超声波流量计既可以测量液体,也可以测量气体。还可以测量异相含量不高的双相流体,如污水、污液等;测量管道的直径可从几厘米到几米,理论上讲,管径上限没有限制,管道可以是圆形,也可以是方形;无阻流件,超声波流量计在测量时,不妨碍管道中流体的流动,没有压力损失,运行费用低;超声波流量计可以测量导电或非导电介质,有毒或有腐蚀性介质;超声波流量计的传感器可以安装在管道外部,不与被测介质接触,因而安装时不需要将管道截断,也不需要开孔,只须将传感器夹装在管道表面即可,简单易行,操作方便;所测流量与黏度、温度、压力和电导率无关;测量线性度好(时间差正比于流速);可测量正反向流量;能采用被测介质体积量对流量计进行标定;性能价格比高(对于插入式和外贴式流量计)。

        1.2 超声波流量计也有其不足之处

        1)测量精度不够联想,一般为流量的±1.0%左右。若是外夹装式安装,则由于管道条件的不确定性,误差可能还要大一些。若是接触式安装,误差可以到±0.5%,但安装较为麻烦;(2)不耐高温,被测介质的温度不能太高,通常至160℃,最高为200℃;(3)对于中小管道而言,超声波流量计的价格较高,其技术也较为复杂。

        2. 超声波流量传感器简介

        超声波流量传感器分为湿式和干式(夹装式)两种。湿式装在管道内,与液体接触。干式(夹装式)夹装在管段的外壁,不与液体接触。夹装式超声波流量计虽然精确度不高,但安装方便,常用于流量监控和过程控制,尤其适用于无停车机会的场合。此外,还可以用来作为其它流量计的比对手段,以检验在线运行的各种流量计是否准确。夹装式传感器通常还需配有安装夹具和耦合剂,应用极其方便。

        3 超声波流量计的选型

        超声波流量计除了时差法和多普勒法之外,通常还有测量液体和测量气体之分。现在的生产厂家还针对某种介质开发和制造了专用超声波流量计,如专门用于测量天然气的超声波流量计,专门用于测量火柜气的超声波流量计等,无疑,这些开发和制造对使用者来说是非常有利的。一是提供了选型的便利性,二是由于专门开发,综合考虑了介质的物理特性,因此,可以有效的提高测量的精确度。除此之外,选型还要着重考虑以下几个因素:

        3.1 从被测介质和使用要求方面考虑

        液体介质要选择液体超声波流量计,气体介质要选择气体超声波流量计。如果是长期在线测量,应首选管段式或插入式超声波流量计,如果是短期的或是临时性的测量或检验,就应选择手持式超声波流量计。从长远规划来讲,这样的选择可增加测量系统的稳定性和灵活性。

        3.2 从测量精度方面考虑

        超声波流量计的精确度差异很大,在传播时间法超声波流量计中,大口径管段式的多声道流量计,精确度较高,基本误差一般为±0.51.0%R,多声道超声波流量计可高达±0.25%R,夹装式一般为±1.03.0%R。而多普勒超声波流量计,基本误差一般为±3.010%FS,但当固体颗粒含量不变时,精确度也可达±0.53.0%FS

        超声波流量计还有单声道和多声道之分,单声道超声波流量计测量的是管道横截面上某一根直径上的平均速度,是线平均速度,它和整个面上的平均速度是有区别的。多声道超声波流量计测量的是管道横截面上多根直径上的平均速度,总的平均速度接近面上的平均速度,所以,多声道超声波流量计的测量精度比单声道的要高。

        测量液体流量,精度要求不很高,选单声道超声波流量计就可以了。而测量气体的超声波流量计通常是多声道的,而且不能用外夹装方式测量,大多以自带测量管段为主。不过,目前PANAMETRICS公司已打破常规生产出了夹装式气体超声波流量计,这种新型的流量计可以用来测量空气、氢气和天然气等气体,其实际应用还未见报道。

        气体超声波流量计的准确度不仅与流速有关,而且与仪表口径有关。对于小口径仪表,由于声道长度较短,在气体红测量声波传播时间比较困难,因此小口径气体超声波流量计的精确度难以提高。通常气体超声波流量计适用于DN≥100mm的生产装置、输气管线和配气系统中的计量。用来测量天然气的超声波流量计一般是自带测量管段的。超声波不能在真空中传播,超声波传播的前提条件是被测气体至少应具有所规定的最小密度。比如,测量天然气流量是就需要管道压力≥0.3MPa(表压),使密度增大到标准状况的3倍以上。

        3.3 被测介质温度、压力的影响

        超声波流量计在测量时,声波从晶片发出,经过声楔、管壁,传到被测流体。如果被测流体的温度、压力改变,则声波在上述的分界面上的折射角和传播时间也会发生改变,从而使超声波流量计示值发生变化。但是。在现有的智能超声波流量计的结构和电路内,都有实时温度、压力补偿,对流量计的指示影响很小,故可忽略不计。

        3.4 传感器的耐温等级

        传感器的耐温等级一般有低、中、高三种,其中高温传感器适用的流体温度可达200℃。随着科学技术的进步,传感器的耐温还将进一步提高。当被测液体为重油、渣油时,由于流体温度较高,传感器连同耦合剂都应选高温型的。

        现在的智能超声波流量计都采用了最先进的数学模式作为设计思想,转换器采用微处理器和贴片技术,所有功能和运行参数都可由程序加以设置,所有公式均由微处理器自动选择调整,充分发挥了仪表软件功能,并采用人机对话方式,不同管道所需的不同参数有按键输入,由软件自动调整,具有保证仪表安装到位的指示装置,从而保住了仪表能长期稳定可靠地工作。

        4 .超声波流量计选型优化

        4.1 超声波流量计有两种主要测量方法,选择原则为:准确度要求较高,被测介质较洁净,应选用时差法;多普勒法适用于含杂质的浑浊介质(流体中必须要有散射物资),但准确度较低。上述两种测量方法适用的介质详见表1

        4.2 时差法超声波流量计的被测流体应清洁、满管、单相,所含悬浮颗粒、气泡不能超过仪表允许值。而多普勒超声波流量计则相反,流体应有一定数量的颗粒或气泡的离散体,否则声波无法散射,仪表会没有信号,但脏污太重,也会使声波无法透过。

        4.3 对于外夹式安装的超声波流量计,要知道确切的管道外径、壁厚、材质以及衬里等情况,管道内壁不应锈蚀、结垢、凸凹不平。管道外表面应去保温层,去漆去绣,涂匀耦合剂,不能有空隙,以免声波在固、气界面发生折射,无法传到被测流体。虽然外夹装式超声波流量计使用方便灵活,然而现场使用的实际测量精度,常因工作疏忽,传感器安装距离及流通面积等测量的误差而造成精度下降。当然,不正确的安装甚至会使仪表完全不能工作。

        4.4 超声波流量计的选型是一项比较复杂的工作,它涉及传感器类型、声道设置方式、转换器及其附件的选用,现场安装设计及配套器材的准备,最好是设计院、用户和生产厂家三方面技术人员密切配合,协商解决。

        总之,超声波流量计和电磁流量计同为非接触式仪表,测量管中无障碍物,压力损失小。如果说在测量导电性液体方面,电磁流量计占主导地位,那么在测量非导电性液体方面,电磁流量计就无能为力了,而超声波流量计应用的领域比电磁流量计要广泛的多,它可测量非导电性流体,如油品、气体等,因此,超声波流量计是一种大有发展前途的流量测量仪表。