選擇液體用超聲波流量計(jì)首先考慮測(cè)量原理是傳播時(shí)間法還是多普勒法?其主要判斷要素是:液體潔凈程度或雜質(zhì)含量,測(cè)量精度要求?;具m用條件如表1所示。
條件 | 傳播時(shí)間法 | 多普勒法 | |
適用液體 | 水類(江河水,海水農(nóng)業(yè)用水等),油類(純凈燃油,潤(rùn)滑油,食用油等),化學(xué)試劑,藥液等 | 含雜質(zhì)多的水(下水,污水,農(nóng)業(yè)用水等),漿類(泥漿,礦漿,紙漿化工料漿等),油類(非凈燃油,重油,原油等) | |
適用懸浮顆粒含量 | 體積含量<1%(包括氣泡)時(shí)不影響測(cè)量準(zhǔn)確度 | 濁度>50-100mg/L | |
儀表基本誤差 | 帶測(cè)量管段式 | ±(0.5-1)%R | ±(3-10)%FS 固體粒子含量基本不變時(shí)±(0.5-3)% |
濕式大口徑多聲道 | |||
濕式小口徑單聲道 | ±1.5%R-±3%R | ||
夾裝式(范圍度20:1) | |||
重復(fù)性誤差 | 0.1%-0.3% | 1% | |
信號(hào)傳輸電纜長(zhǎng)度 | 100-300m,在能保證信號(hào)質(zhì)量的前提下,可以小于100m | <30m | |
價(jià)格 | 較高 | 一般較低 |
此外,對(duì)于外夾裝式儀表還要考慮管壁材料和厚度、銹蝕狀況、襯里材料和厚度;對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝換能器式儀表要考慮換能器類型;對(duì)于大管徑傳播時(shí)間法儀表要考慮聲道數(shù),等等。下文將分節(jié)討論。
2、超聲波流量計(jì) 適用懸浮顆粒含量的范圍
多普勒法超聲波流量計(jì)要比傳播時(shí)間法適用懸浮顆粒含量上限高得多,而且可以測(cè)量連續(xù)混入氣泡的液體。但是根據(jù)測(cè)量原理,被測(cè)介質(zhì)中必須含有一定數(shù)量的散射體,否則儀表就不能正常工作。
傳播時(shí)間法超聲波流量計(jì)可以測(cè)量懸浮顆粒很少的液體,但不能測(cè)量含有影響超聲波傳播的連續(xù)混入氣泡或體積較大固體物的液體。在這種情況下應(yīng)用,應(yīng)在換能器的上游進(jìn)行消氣、沉淀或過(guò)濾。在懸浮顆粒含量過(guò)多或因管道條件致使超聲信號(hào)嚴(yán)重衰減而不能測(cè)量時(shí),有時(shí)可以試降低換能器頻率,予以解決。
3 超聲波流量計(jì)測(cè)量精確度
(1) 超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間法
傳播時(shí)間法比多普勒法有較高的測(cè)量精確度,液體基本誤差為±0.5%R至±5%FS,重復(fù)性為0.1%R-0.3%R;氣體基本誤差為±0.5%R到±3%FS,重復(fù)性為0.2%R-0.4%FS,高精度儀表均為多聲道儀表。中小口徑液體管段式超聲流量傳感器通常都用水做實(shí)驗(yàn)校驗(yàn),具有±0.5%R的高精度。管外夾裝換能器或在現(xiàn)場(chǎng)管道固定安裝換能器的儀表,要通過(guò)定標(biāo)計(jì)算接入現(xiàn)場(chǎng)管道流通面積和傳播距離長(zhǎng)度測(cè)量誤差,夾裝在管道的不確定性,聲耦合變化等因素,要降低些。若安裝調(diào)試粗糙不細(xì)致,測(cè)量精確度有可能低到5%,甚至更低。測(cè)量精確度還取決于聲道數(shù)設(shè)置及其布置位置,下文將進(jìn)一步討論。
(2) 超聲波流量計(jì)多普勒法
典型儀表的基本誤差為±(1%-10%)FS,重復(fù)性為(0.2%-1%)FS。工業(yè)用多普勒法USF的超聲波頻率為0.5-2MHz。多普勒信號(hào)包含著不同散射體移動(dòng)速度的頻譜,檢測(cè)電路提供多普勒頻移若干平均測(cè)量值以求的速度。所測(cè)的散射體速度和流體平均流速之間的關(guān)系,隨著不同狀況而變化,有一定不確定性。
多普勒法超聲波流量計(jì)性能因受以下一些原因所形成的因素影響,整體性能要比傳播時(shí)間法低得多。例如:散粒體的性質(zhì);非軸向速度分量形成的多普勒頻移增寬;被照射域位置的不確定性;散射體和基相液體間的滑差。因此有些制造廠的技術(shù)數(shù)據(jù)僅列出儀表的重復(fù)性而不列測(cè)量精確度或基本誤差。
流體運(yùn)行流速不能過(guò)低,過(guò)低的流速會(huì)使離散體分布不均勻。若測(cè)量管水平安裝,氣體會(huì)浮升在頂部流動(dòng),顆粒會(huì)沉淀于底部。最低流速通常為0.1-0.6m/s。
4 超聲波流量計(jì)聲道設(shè)置和直管段要求
多普勒法超聲波流量計(jì)通常只有單套發(fā)送和接收換能器;便攜式外夾裝超聲波流量計(jì)換能器傳播時(shí)間法超聲波流量計(jì)通常也只有單聲道,其他夾裝式則也有用雙聲道者,帶測(cè)量管段式有單聲道和雙聲道以上。
(1) 傳播時(shí)間法超聲波流量計(jì)
傳播時(shí)間法采用多少聲道的主要依據(jù)是測(cè)量精確度要求和安裝儀表管段流動(dòng)狀況(取決于上游阻流件組成和直管段條件),以及管徑大小。例如BS7405推薦管徑大于0.5m用3或4聲道,達(dá)于3m則用8聲道
單聲道從單一路徑的線平均流速乘上系數(shù)代表平均流速。單一路徑聲道的換能器設(shè)置通常是通過(guò)管道中心,即在橫截面投影圓的直徑上,其系數(shù)即如圖10.2所示。也右聲道設(shè)置在弦的位置上。流動(dòng)速度分布畸變和存在徑向速度分量(如渦流、二次流)則會(huì)改變?cè)撓禂?shù)值,弦位置的影響比直徑位置的影響小。多聲道測(cè)量多路徑線平均流速,更減少流動(dòng)畸變影響,提高測(cè)量精度。
確定超聲波流量計(jì)聲道數(shù)有的可按儀表樣本規(guī)范選擇(如管段式超聲波流量計(jì),除單聲道外較多采用超聲波流量計(jì)雙聲道計(jì)量聲道以上),有的則向儀表制造場(chǎng)聯(lián)系磋商(如現(xiàn)場(chǎng)安裝式超聲波流量計(jì),特別是大管徑應(yīng)用,通常為3-8聲道)。
為了獲得流體沿管道中心平行對(duì)稱地流動(dòng),測(cè)量點(diǎn)上下游要有足夠的長(zhǎng)度直管段作有效整流。不能滿足時(shí)應(yīng)設(shè)置流動(dòng)調(diào)整器。
傳播時(shí)間法超聲波流量計(jì)直管段長(zhǎng)度要求尚未有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值,應(yīng)按制造廠提供的規(guī)定。表2例舉幾個(gè)不同來(lái)源提出的要求,可作為選型時(shí)的一般依據(jù)。
(2) 超聲波流量計(jì)多普勒法
上游管路阻流件種類 | 單聲道最短長(zhǎng)度例一(1) | 單聲道最短長(zhǎng)度例二(2) | 雙聲道最短長(zhǎng)度(3) | |||
上游 | 下游 | 上游 | 下游 | 上游 | 下游 | |
同心漸縮管 | 10 | 5 | 15 | 5 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 |
同心漸擴(kuò)管 | 30 | 5 | - | - | - | - |
1個(gè)90度圓角彎管 | 10 | 5 | 20 | 5 | 10 | 5 |
T形管 | 50 | 10 | - | - | - | - |
2個(gè)90度圓角彎管 | - | - | 25 | 5 | 10 | 5 |
2個(gè)90度直角彎管 | - | - | 40 | 5 | 10 | 5 |
全開閘閥 | - | - | 20 | 5 | - | - |
各類閥(包括控制閥) | 30 | 10 | 50 | 5 | 15 | 5 |
泵 | 50 | 無(wú)要求 | - | - | - | - |
對(duì)多普勒法超聲波流量計(jì)的直管段要求也沒(méi)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。人們對(duì)多普勒法超聲波流量計(jì)直管段要求程度在看法上也迥然不同。一種看法認(rèn)為:從原理上講多普勒法僅測(cè)量“照射域”內(nèi)散射體的流速,其測(cè)量值受流速分布影響比傳播時(shí)間法大。為了盡量減少這種影響,除了采取其他一些方法外,還應(yīng)保證照射測(cè)量域的上下游有足夠長(zhǎng)度的直管段,以得到較好的流動(dòng)狀態(tài)。例如日本富士工業(yè)會(huì)認(rèn)為多普勒法超聲波流量計(jì)所需直管段長(zhǎng)度一般應(yīng)是傳播時(shí)間法的1.5倍。然而另一種看法是:多普勒超聲波流量計(jì)本身測(cè)量精確度等性能較低,流速分布影響相對(duì)于總體測(cè)量精確度不重要,直管段要求反而降低。例如有儀表制造廠提出只要在測(cè)量點(diǎn)上下游保持大于3-5DN的直管段。
5超聲波流量計(jì)換能器類型的選擇
(1) 傳播時(shí)間法超聲波流量計(jì)
本類儀表可采用換能器的類型較多,各廠家換能器結(jié)構(gòu)不同,適用的流體條件(溫度、壓力等)、管道條件(材質(zhì)、形狀、管徑、直管長(zhǎng)度等)和安裝條件等也不相同。此外還與聲道的設(shè)置方法有關(guān),而聲道的設(shè)置方法又與測(cè)量精度和重復(fù)性等密切相關(guān)。氣體用超聲波流量計(jì)因固體和氣體界面間超聲波傳播效率非常低,只能用直射式換能器。因此氣體流量測(cè)量一般不采用外夾裝式超聲波流量計(jì)。
(2) 超聲波流量計(jì)多普勒法
本類儀表用的折射式換能器。目前國(guó)內(nèi)包括大連索尼卡儀表有限公司的產(chǎn)品大部分采用夾裝式,但與傳播時(shí)間法所用的夾裝式換能的發(fā)射頻率等技術(shù)性能不同,不能混用。然而兩者適用管道條件是基本相同的。
6超聲波流量計(jì) 安裝布置方面的考慮
1) 安裝位置和流動(dòng)方向超聲波流量計(jì)的流量傳感部分(超聲流量傳感器或超聲換能器)一般均可安裝于水平、傾斜或垂直管道。垂直管道最好選擇自下而上流動(dòng)的場(chǎng)所,若為自上而下,則其下游應(yīng)有足夠的背壓,例如有高于測(cè)量點(diǎn)的后續(xù)管道,以防止測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)非滿管流。
2) 單向流還是雙向流 通常為單向流,但也可通過(guò)較復(fù)雜電子線路,設(shè)計(jì)成雙向流動(dòng),此時(shí)流量測(cè)量點(diǎn)兩側(cè)直管段長(zhǎng)度均應(yīng)按上游直管段的要求布置。
3) 管道條件 外夾裝式超聲波流量計(jì)管道內(nèi)表面積沉積層會(huì)產(chǎn)生聲波不良傳輸和偏離預(yù)期聲道路徑和長(zhǎng)度,應(yīng)予避免;外表面因易于處理較少影響。夾裝式換能器和管道接觸表面要涂上耦合劑。應(yīng)注意粒狀結(jié)構(gòu)材料(例如鑄鐵、混凝土)的管道,很可能聲波被分散,大部分聲波傳送不到流體而降低性能。換能器安裝處管道襯里或銹蝕層與管壁之間不能有縫隙。用V法的反設(shè)處必須避開焊縫和接口。
4) 上游流動(dòng)擾動(dòng) 與大部分其他流量?jī)x表一樣,USF敏感于流過(guò)儀表的流速分布剖面,因此也要求相當(dāng)長(zhǎng)度的上游直管段。前文已對(duì)直管段要求作了討論。
5) 防止聲干擾 應(yīng)注意由控制閥高壓力降等所形成的聲學(xué)干擾,特別在測(cè)量氣體流量時(shí)尤為重要,設(shè)法避免之。例如Instromet公司的USF顯示儀中有聲干擾實(shí)時(shí)測(cè)量報(bào)警;測(cè)量管道中采用如圖9所示彎管阻斷聲干擾的措施。
4.7 經(jīng)濟(jì)因素方面的考慮
小口徑超聲波流量計(jì)與其他流量?jī)x表相比價(jià)格較貴,然而非管段式超聲波流量計(jì)價(jià)格并不明顯增加。所以用于大口徑、超大口徑儀表有明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)。多聲道儀表有較復(fù)雜電子計(jì)算部件,價(jià)格要高些,因此在要求高精度的中小管徑上應(yīng)用受到一些限制。然而上有擾動(dòng)大而直管段布置受限制的場(chǎng)所,多聲道系統(tǒng)可能是僅有的合理解決方案。
外夾裝式便攜式超聲波流量計(jì)的機(jī)動(dòng)性和可以多處使用,儀表購(gòu)置費(fèi)可分?jǐn)偨o各測(cè)量點(diǎn),從而降低測(cè)量成本。
超聲波流量計(jì)的流量校驗(yàn)費(fèi)用,外夾裝式儀表通常不作實(shí)流校驗(yàn),僅作靜態(tài)調(diào)試,液體用儀表可充實(shí)液調(diào)試;管段式儀表為提高儀表精度,均作實(shí)流校驗(yàn)。因?yàn)檫@些校驗(yàn)或調(diào)試在出廠前進(jìn)行,一般包括在價(jià)格內(nèi)。
大管徑儀表為了提高測(cè)量精確度或用戶需要在現(xiàn)場(chǎng)考核其精確度,或者測(cè)量位置流場(chǎng)畸變嚴(yán)重必須作實(shí)流標(biāo)定,在測(cè)量原位用速度面積法等方法在線校驗(yàn),則應(yīng)考慮其校驗(yàn)費(fèi)用。