淺析如何將便攜式超聲波流量計用于現場管道流量測量

　現在盛行的便攜式超聲流量計使用方便靈活，一般適用于測量大口徑管道的流量，然而現場應用的實際測量精度，常因工作疏忽，換能器安裝距離及流通面積等 測量的誤差而造成精度下降。不正確的安裝甚至會使得儀表*不能工作。因此，儀表現場的安裝與調試對于測量是非常重要環節，本文就現場使用超聲波流量計所 遇到的問題進行分析，總結出管道流量測量的方法。
　　
　　一、超聲波流量計的原理
　　
　　超聲流量計利用超聲波在流動的流體中傳播時，可以載上流體流速信息的特性，通過接收和處理穿過流體的超聲波信息就可以檢測出流體的速度，從而換算成流 量。它具有下列主要特點：①解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠的測量困難的問題；②對介質幾乎無要求；③測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密 度、粘度等參數的影響；④測量范圍度寬，一般可達20∶1。
　　
　　時差法[1]測量是在被測流體內由兩對超聲波發生器和接收器組成兩個通道，分別在順流方向和逆流方向發射超聲波脈沖，測量其傳播的時間差△t。　　
　　順流方向發射超聲波脈沖的傳播時間為

　　
　　逆流方向發射超聲波脈沖的傳播時間為

　　
　　其中：L——超聲波發射器到接收器之間的距離，也稱聲程；c——被測流體靜止時的超聲波傳播速度；u——被測流體的速度。
　　
　　在順流和逆流情況下超聲波的傳播時間差為

　　
　　由于超聲波傳播速度c遠大于流體流速u，故可認為c2-u2≈c2，故

　　
　　即

　　
　　由上式可見：當超聲波在靜止流體中的傳播速度可認為常數時，流體流速就與時間差△t成正比，測量△t即可得到流速，進而求得流量。

    二、超聲波流量計的安裝與調試

    一般，超聲波流量計的安裝應從以下幾個方面考慮：①詳細了解現場情況；②確定安裝方式；③選擇安裝管段；④計算安裝距離，確定探頭位置；⑤管道表面處理；⑥探頭安裝及接線；⑦用示波器觀察接收波形，微調并固定探頭。

    2.1 換能器[2]的安裝

    （1）正確選擇安裝地點

    一般，當管道內徑為D時上游直管段長度應大于10D，下游大于5D。當上游有泵、閥門等阻力件時，直管段長度至少應有30～50D，有時甚至要求更高，如距泵房要求70～100m。當采用雙聲道或多聲道測量時，表前直管段可以有明顯縮短。

    不同形式阻流件應配置的直管段長度列于表1所示。

 （2）正確選擇安裝方式[3]

    當流體平行于管軸流動時，通常可用圖1中的透過法（Z法）安裝能獲得較好的精度。但當流體流動方向與管軸不平行，存在半徑方向的速度成分時，應采用圖1中的反射法（V法）或者采用2V法安裝。對于已配置好的流體管道，特別是測量大口徑管道流量時，由于上游流動狀態的干擾而易于造成測量誤差的場合，比較合適的措施是增加測量線，即增加超聲波的傳播路徑，更多地接受傳播路徑中的流速信息，進行平均，以抵消流體擾動造成的測量誤差。增加測量線時，換能器的安裝應使超聲波傳播途徑均勻地置于流通截面上。一般認為有4條測量線（即4個換能器）就足夠了。

    （3）確定安裝距離

    換能器的安裝應根據具體的測量方式依據說明書上的步驟進行，各種測量方式下的安裝步驟略有不同，但其原理相似。下面以普遍應用的透過法（Z法）的換能器安裝為例，說明一對換能器的安裝距離的確定方法。

    一對換能器的安裝有個基本原則，稱為距離法[4]：就是發射換能器與接收換能器應在管道的半圓平分線上（對于V法，則在同一半圓基線上），并根據實際的管道內徑，壁厚及被測流體的性質，參數等核算，確定兩換能器之間的軸間距離h，保證安裝時h值的準確。其計算公式：

    h=2δ tanθ2+D tanθ3

    其中：δ——管壁厚；D——管內徑；θ2——聲波進入管壁中角度；θ3——聲波進入流體中角度

    目前的超聲流量計顯示儀表一般都有計算安裝距離的功能，只要將管道材料、管徑、壁厚、等管道參數，流量計就能計量出安裝距離h，然后用上述的距離法確定安裝位置。

    上述距離法只能用于管道條件較好的場合。當管道條 件不好時，如由于使用時間太長，結垢嚴重，又不知結垢（1）正確選擇安裝地點實際厚度，這時就很難確定安裝距離h，對于這種情況，可采用渡越時間法[5]安裝換能器。

圖1 換能器的安裝

  首先將顯示儀表的靈敏度旋鈕到中間位置，然后按要求將一只換能器固定在管道的一側，將另一只換能器涂上黃油在管道的另一側沿上，下，左，右方向移動，觀察顯示儀表的循環顯示燈或數字，當循環顯示燈亮了或有數字顯示，則微動換能器，觀察渡越時間，當渡越時間接近所給定的數值時，停止移動換能器，此時若渡越時間的前4位數穩定時，說明換能器已安裝好。將換能器固定好，儀表就可以正常工作了。

    2.2 顯示儀表的安裝

    （1）顯示儀表的安裝地點

    顯示儀表的安裝地點應選擇振動沖擊很小的位置，注意避免電磁場的影響，儀表電源應避免引起電壓波動，使用環境溫度亦應在說明書中的范圍之內，除特殊密封儀表外，應安裝在無腐蝕性的環境中。

    （2）連線長度

    儀表與換能器之間的連線應用屏蔽線，連線長度按說明書要求，一般不超過500m，但在發電廠，由于干擾較大，連線長度一般不超過100m。

  三、 實際案例與經驗總結

    為了找出影響超聲波流量計精度的因素，在測量江蘇東南鋼鐵廠排水系統管道流量的時候，進行了現場的試驗。總結了一下幾點經驗。

    （1）要有足夠長的表前直管段長度（如表1所示）。

    （2）管道幾何尺寸，管內結垢不能太厚。由流量與管徑的關系可知，管徑每存在1%的誤差，就會產生約3%的流量測量誤差。因此，使用超聲波流量計時，必須將壁厚測量。

    管道結垢，不但造成管徑誤差，還會使聲波發生散射，降低超聲波流量計的測量精度。結垢過厚時，儀表甚至不能工作。表2為管道結垢對流量測量的影響計算表。

     對于有的管道結垢已非常嚴重，可以先把換能器拿下來，用手錘敲敲安裝換能器的部位，水垢收到震動后會局部掉落下來，再把換能器安裝在管道上測試，如果還不行，只有建議單位將測量段管道更新為不銹鋼管道。

    （3）在儀表的上游的管道上設置排氣閥

    輸水管道中有空氣是普遍存在的問題，源水管道中氣體含量更大。管道中的氣體占據管道有效截面積，使流量測量產生誤差。如果管道中氣體過多，會使超聲波發生散射而使儀表不能工作。因此，在儀表上游安裝排氣閥是必要的。

    排氣閥的位置應安裝在儀表上游30D以上處，每隔一定時間就應排氣一次。在東南鋼鐵廠DN600和DN900兩管道做試驗發現，在沒有安裝排氣閥時，流量計約多計水量9%～10%。

    （4）管道中的流體沒有充滿管道

    當換能器在管道上安裝好后，流量計接收的強度信號在熒幕上仍沒有顯示，而其他預顯程序正常時，說明管道中流體沒有充滿管道。

四、本文結語

    通過對基本原理的了解和現場試驗的經驗總結，再次對東南鋼鐵廠的排水系統測量流量，通過與已校準的在線流量計的對比，發現當考慮了以上干擾精度的因素和采用合適的安裝方法后，測量精度由*次的±1.67%提高到±0.81%，滿足了測試精度的要求。(本文由潤中儀表科技有限公司整理發布)