超声波流量计的原理与应用
超声波流量计在工业上具有广泛应用, 具有适合大口径测量、安装维修方便、通用性好等诸多优点。文章介绍了超声波流量计硬件组成, 分析了超声波流量计的工作原理和传感器的几种安装方式, 阐述了超声波流量计在选型、安装、调试过程中的注意事项。
在工业生产过程控制中, 流量是一项重要的基础数据。流量测量通过流量计实现, 根据测量原理, 流量计可分为质量流量计、节流式流量计、容积式流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等类别。其中, 在测量大口径管线介质流量时, 超声波流量计的应用最为广泛。在中国石油锦州石化公司, 新水、循环水流量大多使用超声波流量计进行测量。这种流量计安装维修方便、通用性强, 在生产数据统计、节能降耗管理中具有广泛应用。
1、超声波流量计的工作原理：
1.1、硬件组成：
通常超声波流量计的测量系统由传感器 (换能器) 和变送器 (流量显示累积系统) 2部分组成。传感器为铸铁酸铅压电元件, 利用压电效应, 通过传感器发射并接收声波。介质流动时, 对声波产生影响, 通过检测产生的影响情况, 计算出流量大小。
按照传感器的安装方式, 常见的超声波流量计可分为插入式、外夹式和便携式3种类型。插入式超声流量计采用陶瓷传感器, 使用专用钻孔装置进行不停产安装, 一般为单声道测量。外夹式超声流量计采用专用耦合剂安装, 安装时不损坏管路, 能够完成固定和移动测量。便携式超声波流量计便携使用, 内置可充电锂电池, 配接磁性传感器, 适合移动测量, 常用来进行流量标定。
1.2、测量基本原理：
超声波流量计的传感器有2只, 在工作时, 2只传感器互相发射、接收超声波信号。通过数字处理技术以及时差探测法, 测量出流体流速对超声波信号传输时间产生的影响, 如图1所示。
图1 超声波流量计测量基本原理图
我们将上游传感器探头T1发射的超声波信号被下游传感器探头T2接收的时间记为t1, 将下游传感器探头T2发射的超声波信号被上游传感器探头T1接收的时间记为t2。当管线介质静止时, t2-t1=0。当管线介质流动时, 流体流速对超声波信号的传输产生影响, 导致上游到下游的超声波信号传输速度加快, 下游到上游的超声波信号传输速度减慢, 即t2-t1=Δt。通过两个信号之间的时间差计算得到流体流速, 再乘以管线横截面积, 即计算得出流体的体积流量[1]。
流体流速的基本计算公式为:
式中:v为流速;k为标定系数;Δt为上下游传感器信号接收的时间差;t为测量得出的超声波穿过流体的平均时间。
1.3、安装与调试：
1.3.1、Z法安装：
Z法安装即单行程测量, 指声波只经过一个声程就已完成测量, 可以获得较强的信号, 如图2所示。
图2 Z法安装示意图
1.3.2、V法安装：
V法安装即双行程测量, 是指两只传感器同向安装, 声波经对侧管道反射后接收, 共有2个声程, 如图3所示。
图3 V法安装示意图
1.3.3、W法安装：
W法安装即多行程测量, 泛指经过3个或3个以上声程的测量方法, 优点是可以获得较高的测量精度, 缺点是信号较弱, 只适用于管道条件较好的情况, 如图4所示。
图4 W法安装示意图
2、超声波流量计的主要优点：
2.1、安装维护方便：
超声波流量计传感器直接安装在工艺管线外壁上, 不需要法兰、缩径、副线等, 对管线内介质流动不产生任何影响, 方便安装、调试、拆卸, 方便日常维护。
2.2、通用性能较好：
由于超声波流量计安装不需要打开工艺管线, 故同一台超声波流量计可以安装在不同管径的工艺管线上, 具有较好的通用性[2]。
2.3、测量范围较大：
从测量口径方面, 需要打开管线安装的流量计, 口径通常在DN500以下, 而超声波流量计可测量DN2000管线内的流体流量;从量程方面, 超声波流量计的测量范围广, 优于其他类型的流量计。
2.4、应用范围广泛：
超声波流量计传感器不直接接触工艺介质[3], 所以对于强腐蚀性、有毒有害、非导电介质等, 超声波流量计同样适合。
3、超声波流量计的安装与调试：
3.1、超声波流量计的安装条件：
根据超声波流量计的工作原理, 可以看出, 电磁干扰和涡流对测量精度有很大影响。故此, 安装时应避免这两项干扰。通常安装位置应具备以下条件。
(1) 直管段充分, 安装位置上游直管段大于10D, 下游直管段大于5D[4]。
(2) 安装位置距上游水泵距离大于30D。
(3) 流量计传感器、变送器、连接电缆等各部分应远离水泵等具有强磁场和强振动的机器设备[5]。
(4) 传感器安装位置的管壁薄厚均匀、材质致密, 便于超声信号传播。
(5) 确保流体充满管道, 避免出现气泡、杂质。在竖直管道安装时, 选择流体自下而上流动的管道。
(6) 便于人员操作、检修、维护。
3.2、超声波流量计的调试：
流量计安装到位后, 在正式启动之前, 要进行参数设置, 包括安装方式、管道直径、管道壁厚、管道材料、介质类型、探头间距、测量量程、计量单位等。远传至DCS的超声波流量计, 还要进行信号联校, 确保流量数据能准确传输到DCS。
超声波流量计要定期进行检查, 检查传感器与管线的连接是否紧密, 检查流量测量信号是否稳定。条件具备时, 可使用便携式超声波流量计测量管线介质流量, 与固定式超声波流量计流量进行比对, 检验固定式超声波流量计计量是否准确。
4、常见故障原因分析与处理：
同其他工业设备一样, 超声波流量计运行较长时间后, 难免会出现一些问题, 对准确计量造成影响。这时, 我们就要根据不同的故障现象, 分析问题原因, 及时调试、检修。
4.1、没有检测信号：
检查传感器探头与管道是否出现连接不紧密的情况, 在工艺上考虑是否管线内壁结垢太厚影响信号传输。
当传感器探头与管道连接不够紧密时, 要确保管道表面干净, 无锈迹, 无油漆, 使用充足的耦合剂连接探头与管道, 保证没有气泡、连接紧密。当管线内壁结垢时, 在无法清除结垢的情况下, 可以在满足安装条件的前提下更换测试点, 使其满足测量需要。
4.2、接收信号强度低：
检查直管段距离是否足够, 检查附近是否有变频器干扰, 检查传感器与变送器的连接线是否过长。
若直管段距离不够, 需重新选取恰当的测量点;若附近有变频器干扰, 需重新规划流量计和变频设备的安装位置, 避免流量计受到影响;若传感器与变送器的连接线过长, 也可能会造成信号衰竭, 应对连接线进行屏蔽。
5、结束语：
在工业实际应用中, 特别是在大口径、高压力、介质稳定的管线中, 超声波流量计有着其他类型流量计所没有的优势。此外, 超声波流量计日常维护所投入的费用并不昂贵[6], 可谓大口径计量的首选计量设备。随着超声波流量计的不断发展、完善, 超声波流量将得到更加广泛的应用[7]。