時(shí)差法超聲波流量計的應用

在計量領(lǐng)域中，流量的計量是最為復雜也是最為困難的一個(gè)分支，它關(guān)系到工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)，影響到經(jīng)濟利益體之間的貿易結算，為此我們應下功夫使流量的計量得到合理的應用。水流量的計量就是一例。對于管徑分別為600mm，700mm，800mm的大口徑供水管管道的水流量的計量問(wèn)題，與中、小管徑水流量的計量問(wèn)題相比，具有許多特殊性，如果流量計選型不當，就可能造成流量計不能正常使用或測量數據不可靠，這必將給企業(yè)生產(chǎn)成本的核算帶來(lái)諸多麻煩，同時(shí)也給維修、維護帶來(lái)諸多不便。我廠(chǎng)原使用的是插入式渦街流量計，它具有量程比寬、無(wú)運動(dòng)部件和介質(zhì)適應性強等優(yōu)點(diǎn)，但其維護工作量較大，計量準確性易受外部條件的影響，安裝維護很不方便，出現了不少的問(wèn)題。為此，我們對該供水流量計進(jìn)行了改型，選用了唐山匯中儀表有限公司生產(chǎn)的PCL型時(shí)差法超聲波流量計，安裝使用一年來(lái)取得了較好的效果。
    1 超聲波流量計的原理和組成

    時(shí)差法超聲波流量計，是利用超聲波在橫向穿過(guò)流動(dòng)的液體時(shí)，在其順流和逆流介質(zhì)中，其超聲波的速度有差異而形成速度差（時(shí)間差）。時(shí)差法超聲波流量計就是利用該原理對流體的流速和流量進(jìn)行測量的。具體方法如下：

    若在固定長(cháng)度L的距離內，分別放置兩組超聲波發(fā)送和接收器，則對于順流和逆流有：

    t1=L/（c+v）（順流） t2=L/（c-v）（逆流）

    式中，c為超聲波在靜止流體內的傳播速度；v為流體流動(dòng)的速度；t1為順流傳播所需要的時(shí)間；t2為逆流傳播所需要的時(shí)間。

    那么，時(shí)間差就為：Δt=t2-t1=2Lv/（c2-v2）

    由上式可知，流體的流速正比于時(shí)間差Δt。由于超聲波在不同溫度的水內傳播速度c略有變化，故儀器本身就帶有溫度補償的功能。
   
    其大致的原理過(guò)程為：由超聲波的探頭發(fā)射并接收超聲波信號，通過(guò)對其信號進(jìn)行轉換、放大、運算、補償等一系列的處理過(guò)程.最后顯示出要測量的流量值。對于不同的管道，有不同的參數需要設置，這些均由儀器內計算機的軟件進(jìn)行自動(dòng)調整，并且可以通過(guò)功能顯示鍵隨時(shí)顯示出我們所需要的數值（如介質(zhì)的流速、介質(zhì)的瞬時(shí)流量、介質(zhì)的累計流量、介質(zhì)的累計運行時(shí)間、超聲波探頭的安裝位置指示、超聲波信號強度的指示等），從而非常方便地監視超聲波探頭的安裝情況和儀表的運轉情況。

    2 超聲波流量計的安裝與調試

    2.1 測量位置的選擇及測量方式的確定

    在安裝探頭前，首先要確定測量位置和安裝方式。通常情況下采用V方式測量。當被測液體的濁度較高，接收信號強度（儀表A值）較弱時(shí)，宜采用Z方式測量，Z方式測量安裝方法如圖1所示。Z方式測量的安裝能夠接收到較強聲波直接折射的信號，這非常有利于儀表工作的穩定性，因此，我們大部分都采用Z方式的安裝進(jìn)行測量。

    我們知道，探頭的安裝位置的不同、被測管路內流體的流動(dòng)狀態(tài)及其變化，均對流量測量的精度有很大的影響，因此，在選擇安裝探頭位置時(shí)要特別注意，必須要保證探頭安裝處的直線(xiàn)管段為：上游側10D（管284徑）和下游側5D以上，并且在上游側30D以?xún)�，不能有擾動(dòng)流體流動(dòng)的因素（如泵，閥，節流孔、件等），同時(shí)在安裝處還應盡量避開(kāi)被測管路凹凸不平及有焊接的位置。

    2.2 超聲波探頭安裝位置的確定

    探頭安裝示意圖如圖2所示。

    （1）在現場(chǎng)安裝好顯示計后，接通電源并輸入有關(guān)的參數，按下調試，鍵屏幕首先顯示出探頭應安裝的距離
    （2）取一段長(cháng)約4D的寬行打印紙（或幅寬為200mm左右的平行紙帶）。
    （3）在按要求確定好直管段的基本位置后，在其水平（或垂直）管道的兩側，水平面±45°以?xún)�，首先確定其中一個(gè)探頭的安裝位置，并進(jìn)行局部的打磨和拋光打平，做到無(wú)銹蝕、無(wú)麻點(diǎn)。
    （4）將紙帶的一邊經(jīng)過(guò)打磨的中間部分環(huán)繞管路一周.紙帶的兩邊要很好地重合。
    （5）沿著(zhù)打磨部分的紙邊劃一圓周線(xiàn)，并用紙帶圍出周長(cháng)，在紙帶上做出標記。
    （6）取下紙帶，沿被測管軸線(xiàn)方向通過(guò)打磨部分劃一直線(xiàn)，與圓周線(xiàn)垂直相交于A(yíng)點(diǎn)。
    （7）將紙帶按周長(cháng)標記對折，形成半周長(cháng)。然后讓紙帶的一個(gè)端邊與沿軸線(xiàn)方向劃的直線(xiàn)重合，圍繞被測管半周，并沿紙帶另一端邊在放測管的另一側劃一直線(xiàn)，與周線(xiàn)相交于A(yíng)1點(diǎn)（AA1為圓管直徑）。
    （8）根據儀表顯示的安裝距離，用鋼卷尺由A1點(diǎn)沿軸線(xiàn)方向量出此值。局部打磨和拋光打平后，根據安裝距離劃一周線(xiàn)，與軸線(xiàn)方向的直線(xiàn)垂直相交于B點(diǎn)，B點(diǎn)即是另一個(gè)探頭的安裝位置。


    2.3 安裝調試

    確定好安裝位置后，用汽油等溶劑將測量點(diǎn)及探頭擦洗干凈，然后將一探頭涂上凡士林（或黃油）作為聲耦合劑用，固定于管道的一側的A點(diǎn)，將另一探頭也涂上凡士林（或黃油）緊貼于另一側管壁處B點(diǎn)。然后認真地調整探頭，使儀表的安裝位置指示值B達到3%以?xún)�，最后找到最佳的測量點(diǎn)。用鋼絲繩卡具或螺紋不銹鋼帶等緊固探頭，探頭上的安裝標記一定要與所劃的十字安裝線(xiàn)對準。在緊固過(guò)程中，觀(guān)察安裝標記與安裝線(xiàn)，不應有任何的移動(dòng)現象。

    3 時(shí)差法超聲波流量計的特點(diǎn)

    （1）由于時(shí)差法超聲波流量計采用了精密的時(shí)差法檢測，并有信號的自動(dòng)跟蹤、溫度的自動(dòng)補償等先進(jìn)的技術(shù)，因此它具有運行穩定、計量準確可靠、儀表的運算和顯示精度較高等特點(diǎn)。
    （2）對被測介質(zhì)來(lái)說(shuō)，超聲波流量計屬于非接觸測量，在安裝過(guò)程中不損壞管路，這可以滿(mǎn)足工廠(chǎng)工藝生產(chǎn)用水不斷流的要求，安裝極為方便。
    （3）在測量時(shí)，管道中沒(méi)有節流件，流體不存在壓力損失，非常有利于節約能源。
    （4）它對于被測流體的技術(shù)參數有較寬的適用范圍，如水質(zhì)、流體狀態(tài)、流體溫度及流速（0.1m/s~12m/s）等，工業(yè)與生活中的常用介質(zhì)均能滿(mǎn)足要求。
    （5）電子線(xiàn)路的集成化程度高，幾乎不需要維護與修理，編程簡(jiǎn)單靈活，用戶(hù)輸入的數據均為常用的原始直接數據，不需要經(jīng)過(guò)人工計算，省時(shí)省力。

    4 結語(yǔ)

    由于超聲波流量計具有許多優(yōu)點(diǎn)，20世紀80年代初，日本已將其普遍應用于自來(lái)水公司的大管徑供水管網(wǎng)。在大口徑管路的液體流量的測量方面。超聲波流量計將在大部分場(chǎng)合取代其他類(lèi)型的流量測量?jì)x表。這是科技進(jìn)步的表現，也是時(shí)代的要求。目前，在國外超聲波流量計的測量技術(shù)已應用于蒸汽、空氣、煤氣等難以計量的無(wú)液體介質(zhì)計量領(lǐng)域，一種具有非常廣泛用途的流量計。