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超聲波流量計在液體流量測量中的應用

發布:2021/10/14 16:34:51人氣:196
在石油、化工、水電等部門,對液態流體流量的檢測已成為生產中不可缺少的組成部分.要準確地檢測流量就要依賴于有效的測試工具一流量計,傳統檢測方法和渦輪、孔板、電磁等流量計都需要將其傳感器安裝在管內,并配一段安裝管,這不但不便于安裝,而且會引起流體的壓力損失、泄漏等問題,尤其是對有毒、有腐蝕性、易爆及帶放射性介質流體的測量顯得很不適應.為此在管道外就準確可靠地測量管道中流量的超聲波流量計應運而生.超聲波流量計以其結構簡單、壓力損失小、使用方便等獨特優點得到了廣泛的應用。
 
1、超聲波流量計用于液態流體計量的優點
與其它種類的流量計,如電磁流量計、渦流流量計、差壓流量計、質量流量計等相比較,超聲波流量計具有以下優點:
(1)屬非接觸式測量,換能器安裝在管道外壁,基本上不干擾流場,無壓力損失,可以測得真實流速又不影響系統的正常運行。
(2)通用性好,在可測口徑范圍內,同一臺流量計可測任何不同口徑的管道.測量口徑范圍一般為0.5~5m,有的可達10m,而且造價基本與口徑大小無關。
(3)適應性強,使用范圍廣,它幾乎不受流體物理性質的限制和影響,只要是超聲波能傳播的流體,即使是非導電的或是高粘度的流體都能測量其流速,除用于測量水、石油等一般導聲流體外,另外還可測量高溫、高壓、強腐蝕、非導電、易爆和放射性等導聲流體。
(4)無可動部件,無磨損,使用壽命長,重量輕。
(5)靈敏度高,能檢測流速的微小變化,輸出特性線性范圍寬。
(6)安裝維修方便,不必中斷流體流動,不影響生產。
(7)能進行綜合測試,超聲波測量裝置不僅能測量流體的流速和流量,而且易于與微機及其它參數儀表(如壓力、轉速等)組合構成監測裝置,這一獨有的特點是其它測量方法難以實現的。然而,超聲波流量計也存在不足之處,主要表現在低流速、小管徑而溫度條件、媒質物理性能和流體流動條件又很不穩定的情況下,較難得到滿意的結果。
 
2、超聲波流量計的工作原理
超聲波流量計將一對換能器夾裝在管道兩側.通過超聲波在管道內的順流及逆流兩種方式的發射及接收,測量出各自的傳播時間,得這兩種時間的差△T再依據流體理論,可準確地測出管道中流體的流量。
式中θ1一超聲波在換能器中的發射角;
θ2一超聲波在管壁中的折射角;
θ3一超聲波在流體中的折射角;
v一流體流速;
D一一管道內徑
C1、C2、C3一分別為超聲波在上述三種材料中傳播平均線速度;超聲波在換能器及管道壁中傳輸時間
平均面速度為:
式中K一流量修正系數,與流體雷諾數Re有關。
 
3、測量條件
(1)要使超聲波信號通過管壁,首先的條件是管子必須是聲的導體,絕大多數管是導聲的,包括所有的金屬、橡膠和玻璃管以及一些合成玻璃和水泥等均一性材料的管.大多數管子的護面如水泥、煤焦油、搪瓷及環氧樹脂等也是導聲的.為了不影響所獲得的信號,只要使塑料、橡膠村墊緊貼著管子的內表面且襯面與管壁間無空氣間隙即可。
(2)測量流量時必須使管子的測量段充滿液體,這是使用超聲波流量計所必需的條件.因為,無論管子是否充滿液體,超聲波流量計都是按滿管狀態計算流量的。
(3)正確選擇安裝位置,應該遠離有動力、阻力的地方,如遠離彎管段、三通、節流閥或泵、調節閥等部位.并且探頭安裝位置必須在管側面的正側線上,并且注意保證管表溫度不能超過發射器的額定工作溫度.對固定式超聲波流量計而言,傳感器安裝位置主要考慮前后直管段的長度.對便攜式超聲波流量計而言,測量位置一般選在被測儀表附近。
(4)合理采用安裝形式.在測量方法上應根據管徑的大小選擇合理的傳感器安裝位置,通過聲波的多次折射延長聲波傳輸距離,以便提高測量精度。
對于較大管徑(50mm以上)采用圖2所示安裝方法.并且,在這種安裝方法下信號為直接傳輸,無反射過程,僅一次穿過流體,所以,當流體中氣體或固粒含量較多、銹層過厚、粘著表面狀況較差時,也可以采用這種安裝法圖3所示為標準安裝法,比第一種方法讀數更精確。因為被測信號所要走的距離更長,在管徑適中、介質純凈、無顆粒時大多數情況下采用此法.發射器為同側安裝。對于較小管徑(50mm以下)可使超聲波在管內折射兩到三次來完成測量,如圖4、5所示,通過延長信號所走距離來提高△T測量精度。
 
4、測量誤差分析
利用超聲波流量計對液體管道流量進行測量時,影響流量測量準確度的主要因素有:
(1)超聲波流量計本身的誤差,這部分誤差由流速測量誤差和時間累計誤差兩部分合成,是由超聲波流量計生產工藝和制造精度所決定的.經計量檢定機構檢定后確定修正值大小和準確度等級.用戶根據使用要求選用
(2)被測管段內橫截面面積的誤差測量δA。
式中內徑D在現場無法直接測量,只能通過測量管外周長(L,單位mm)和管壁厚度(b,單位nm),輸入超聲波流量計,由超聲波流量計內置運算器處理。
內橫截面面積的準確程度取決于管外周長和管壁厚的測量準確度.對以上兩式求導,得
其中,△L=±1mm,△b=±0.1mm,將△L和△b代入(9),得管外周長和管壁厚度的測量對管內徑測量的影響為△D=0.12mm。
所以,管內橫截面面積測量的相對誤差為:δA=(△A/A)×100%=2(△D/D)x100%      (11)
因為△D=0.12是一個常量,由式(10)可以看出內橫截面面積的測量的相對誤差與管內徑呈反比,隨著管徑的增大而減小。
若將以上兩個影響流量測量準確度的主要誤差綜合考慮,超聲波流量計測量通過圓管液體體積的總不確定度為:δ=±√δB²+δA²x100%        (12)
通過以上對超聲波流量計測量誤差的分析,可以知道,對于作為工作計量器具的固定式超聲波流量計來說,除考慮超聲波流量計本身的準確等級外,還要根據管徑大小計算其測量誤差.由于小管徑情況下管徑測量誤差較大,因此不可忽視,對于作為標準表來校準其它流量儀表,除應考慮計算管徑測量誤差引起的流量測量誤差外,其本身的準確度應小于被測誤差的1/3~1/10,以保證其校驗準確度.除此之外,對于超聲波流量計換能器的入射角、振蕩頻率及安裝時對上、下游直管段長度的選取也都會對測量精度有一定的影響,在應用中要根據實際需要,合理選擇和安裝換能器。
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