超聲波流量計測量原理和安裝方式

超聲波流量計的組成：超聲波流量計實(shí)物圖如圖所示，由圖可知超聲波流量計主要由直管段、流量傳感器、溫度傳感器、計算儀等部分組成。
   流量傳感器如圖中的1，2所1.;，被安裝在管道的一側(cè)。1, 2是一對配對一的超聲波換能器，換能器是用來發(fā)射和接收超聲波信號的，是影響超聲波流量計測量精度的重要部分。
   3,4是對Pt1000的鉑電阻溫度傳感器，金屬鉑(Pt)的電阻值會隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。典型實(shí)驗數(shù)據(jù)為:在400℃時持續(xù)300小時，0°C時的zui大溫度漂移為0.020C。在-200~0℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系式為.
 R, = R [1+At+Bt'+C(r一100)t3](2.1)在0-850℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系式為二R,=R} (I+At+Bt')(2.2)式中:R,—在t°C時的電阻值      Ro—在0°C時的電阻值按IEC751標(biāo)準(zhǔn)，溫度系數(shù)TCR=0.003 851的系數(shù)值如下表所示。


表2.1溫度系數(shù)TCR=0.003851的系數(shù)值
   本文選用的溫度傳感器采用不銹鋼外殼封裝，起到保護(hù)溫度傳感器感溫元件的作用，使其不與被測介質(zhì)直接接觸，避免或減少有害介質(zhì)的侵蝕，火焰和氣流的沖刷和輻射，以及機(jī)械損傷，同時還起著固定和支撐傳感器感溫元件的作用。
  5是電子模塊，是超聲波流量計的核心。通過單片機(jī)和其外圍電子線路模塊控制流量溫度等數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、處理和顯示。

換能器安裝方式的分類：
  超聲波流量計的流量測量就是通過超聲波換能器發(fā)射和接收超聲波信號實(shí)現(xiàn)的。為了適應(yīng)不同管道材料、管徑大小等超聲波換能器的安裝位置有:外夾式、插入式和管段式三種。

圖2.2二種超聲波流量計
   外夾式就是將一對換能器夾在管壁上，具有即貼即用，安裝時不斷流的優(yōu)點(diǎn)。
   插入式超聲波流量計由轉(zhuǎn)化器和一對插入式傳感器組成，插入式傳感器由定位底座、球閥、超聲波傳感器組成，測量時只需將換能器插入到管道內(nèi)，就完成了安裝，而且這種測量方式超聲波信號只經(jīng)過被測介質(zhì)，所以測量不受管質(zhì)材料的影響。
   管段式超聲波流量計是將超聲波換能器和測量管道組成一體。其測量精度高，避免了因管道材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良、銹蝕嚴(yán)重、襯里與管道內(nèi)有間隙等原因?qū)е碌某暡ㄐ盘査p嚴(yán)重的問題，但是這樣測量方式換能器*浸泡在流體中會相應(yīng)縮短了超聲波換能器的使用壽命并且也不易于換能器的更換。
   無論是外夾式、插入式還是管段式超聲波流量計，兩個換能器探頭的安裝方式都有多種多樣，可以分為對射式和反射式兩種。反射式又分為:V法、N法、W法和U法反射。

圖2.3對射式安裝剖面圖
   對射法安裝換能器時，超聲波信號是直接從發(fā)射端傳播到接收端，中間沒有經(jīng)過反射和折射，從而信號的衰減小。對射式安裝可以測量50~6000的管徑。


圖2.4反射式安裝剖面圖
   V法安裝如圖2.4的(a)所示，V法安裝使用方便、測量可靠。V法安裝可以測量25400~的管徑范圍。安裝超聲波換能器時，要注意兩超聲波換能器要水平對齊，就是兩換能器的中心線與管道軸線平行。    圖偽)所示的U法安裝，兩換能器安裝在管道的同側(cè)，超聲波信號從發(fā)射端經(jīng)過兩個反射鏡的反射三次聲程到達(dá)接收端。由于超聲波信號要多次反射，為了保證接收端回波信號的強(qiáng)度所以發(fā)波的驅(qū)動電壓要達(dá)到一定的要求。U法安裝通常適合管徑比較小的流量計。
  N法安裝，超聲波信號穿過流體三次兩次反射到達(dá)接收端，N法安裝延長了聲程，從而提高了測量準(zhǔn)確性。同理，W法安裝也是通過延長聲程提高小流量時的測量精度。

時差法超聲波流量計的測量原理：
超聲波流量計的物理性參數(shù)：
   1.流量    流量的測量對象一般是指流經(jīng)管道或溝渠的流體，所以通常講的流量指的是單位時間內(nèi)通過管道或溝渠某一截面的流動介質(zhì)的量，可以用體積流量或質(zhì)量流量來表示。本文的流量用體積流量表征，用Q表示，常用的單位有cm3/s,L/min，或m3zol。
  將流經(jīng)管道橫截面的流體分為無窮多個微小單元，其中某一微小截面的面積用ds表示，流經(jīng)這一微小截面的流體的流速為v,那么在單位時間內(nèi)流經(jīng)這一微小截面的體積流量dQ可以表示為:                          aQ=v" as                              (23)    所以，根據(jù)微積分知識知單位時間內(nèi)流體通過管道截面的流量Q可通過下式而求出。
                Q一腳(2:4)    若流體勻速流動，則單位時間內(nèi)通過管道截面的流量Q可用下式表示:                          Q=v.S                               (2.5)
   2.雷諾數(shù)：
  雷諾數(shù)Re是流體流動狀態(tài)的一個判斷依據(jù)。管道中流體的流動可以分為層流和紊流兩種狀態(tài)，層流狀態(tài)是指管內(nèi)流體只有軸向的運(yùn)動，而無垂直主流方向的橫向運(yùn)動;紊流狀態(tài)是指管內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)既有軸向的運(yùn)動，也有橫向的運(yùn)動。流體的流動狀態(tài)不僅與管內(nèi)平均流速有關(guān)，還與流體動力粘度和管徑有關(guān)。一般一認(rèn)為R}, = 2000可作為流體從層流狀態(tài)到紊流狀態(tài)的臨界判斷。當(dāng)尺< 2000時為層流狀態(tài)，當(dāng)R > 2000時為紊流狀態(tài)。雷諾數(shù)R。的計算公式見下式:



   流體的動力粘度是表示流體內(nèi)摩擦力的一個參數(shù)。不同流體的動力粘度也不同，動力粘度會受到溫度和壓力的影響，溫度升高時，液體動力粘度降低，而氣體動力粘度則升高。一般，液體的動力粘度，只考慮溫度對其的影響，僅在壓力很高的情況下刁‘考慮壓力對動力粘度的影響。密度也與流體溫度存在一定的關(guān)系，當(dāng)流體是水時，密度會隨著水溫的升高而降低。
   3.超聲波的聲速 ：
  本文采用超聲波傳播的時差法原理對流量進(jìn)行測量，那么超聲波的聲速C的準(zhǔn)確性對超聲波流量計流量測量的精度有很大的影啊fzzl。超聲波在各種介質(zhì)中的傳播速度各異，溫度對超聲波聲速的大小也有很大的影響，當(dāng)超聲波在水中傳播時，不同溫度對應(yīng)的不同超聲波聲速如卜圖中的散點(diǎn)所示，再用Matl ab根據(jù)幾次函數(shù)關(guān)系擬合出的超聲波聲速C與溫度t的函數(shù)關(guān)系如圖2.5曲線所示。

圖2.5超聲波聲速與溫度的關(guān)系
 擬合出的超聲波聲速c與溫度t的函數(shù)關(guān)系可以用(2.7)式表示。C=1409+4.052。t一2.77 x 10-2 .t2(2.7)
2.3.2、對射式時差法超聲波流量計的測量原理：
  超聲波信號在流體中傳播時載有流體的流速信息，通過檢測穿過流體的超聲波信號就可以檢測出流體的流速，從而轉(zhuǎn)換成流量。本課題利用超聲波流量測量方法‘護(hù)的時差法來測量流量，采用對射法將超聲波換能器管段式安裝在測量管道的兩側(cè)。    對射式超聲波流量計流量檢測的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2.6所示，換能器1, 2被安裝在管道上下游的兩側(cè)，檢測流量時，在控制電路作用下:換能器1處于發(fā)射狀態(tài)，換能器2禁止發(fā)射處于接收狀態(tài)，這時換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號，換能器2接收到上游超聲波信號的同時，將換能器2置成發(fā)射狀態(tài)，換能器1處于接收狀態(tài)，換能器2向換能器1發(fā)射超聲波信號，系統(tǒng)會記錄下超聲波從下游換能器1到下游換能器2的傳播時間幾和下游換能器2到丘游換能器1的傳播!{寸問不*，山于水流速度的影響，T,i和T,,不相等，存在個時間差△T，zui終通過△T計算出流量。


圖2.6時差法超聲波熱量表原理圖
   設(shè)流體流速度為V，超聲波傳播速度為C，超聲波的入射角為e，管道直徑為D，換能器1, 2前端面的距離為L  S為管道的橫截面積。則超聲波信號從上游換能器1到下游換能器2的順流傳播時間瑞，可以表示為:  LC+TCOSB(2.8)超聲波信號從下游換能器2到上游換能器1的逆流傳播時間T表示為:

線速度與面速度之差對流量測量的影響：
  由2.3.2節(jié)中介紹的超聲波流量計的時差法流量測量原理知，由時差法導(dǎo)出的超聲波流量計的流量計算公式中，所測量和計算的流體流速均是指沿著超聲波傳播方向上的線平均速度。而體積流量是指單位時間內(nèi)流經(jīng)封閉管道有效橫截面的流體的體積量;也就是說流量計算公式中的流體流速應(yīng)是流體流經(jīng)的有效截面上的面平均速度。因而利用公式(2.13)計算出的流量是不能正確反映實(shí)際流量，這兩者之間必然存在一定的誤差。因此，必須用一定的方法對這一誤差進(jìn)行補(bǔ)償，對測量的結(jié)果進(jìn)行修正。
  在理想條件即管道管壁光滑和有足夠長的直管段下，該誤差可以用流體力學(xué)原理修正，在流體力學(xué)中[24]，線平均速V與面平均速度玲的關(guān)系可以用下式表示:


   而K與管道中水流速分布規(guī)律有關(guān)，層流和紊流是管內(nèi)流體流動的兩種狀態(tài)。在層流狀態(tài)下，流量修正系數(shù)K是一個常數(shù);(2.15)4一3    一一  K在紊流狀態(tài)時，利用了尼庫拉茲(Nikurdse)的摩擦系數(shù)得修正系數(shù)為(2s1.K=1+0.01寸6.25+431Re-0}z3}(2.16)    在流體的流動狀態(tài)介于層流和紊流之間時，用布拉修斯(Blasius )摩擦系數(shù)加以修正，修正系數(shù)K為:K=1一0,01 (2.17)    上述的流體處于不同流動狀態(tài)下的流量修正系數(shù)K的計算公式都是在管壁光滑的圓管段和流量計安裝時前后必須保證有足夠長的直管段的理想條件下推導(dǎo)出的。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于制造工藝和安裝條件等的限制，導(dǎo)致實(shí)際環(huán)境與理想條件相差甚遠(yuǎn)，再加上修正公式計算繁瑣，對流量計的運(yùn)算處理單元要求高，因此在實(shí)際應(yīng)用中，針對由于線速度與面速度之差引起的流量誤差的補(bǔ)償方法，在下面的4.6章節(jié)中將介紹實(shí)際應(yīng)中的流量修正方法。