時差法超聲波流量計的應用

在計量領域中，流量的計量是最為復雜也是最為困難的一個分支，它關系到工業企業的生產，影響到經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題，與中、小管徑水流量的計量問題相比，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，這必將給企業生產成本的核算帶來諸多麻煩，同時也給維修、維護帶來諸多不便。我廠原使用的是插入式渦街流量計，它具有量程比寬、無運動部件和介質適應性強等優點，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，出現了不少的問題。為此，我們對該供水流量計進行了改型，選用了唐山匯中儀表有限公司生產的PCL型時差法超聲波流量計，安裝使用一年來取得了較好的效果。
    1 超聲波流量計的原理和組成

    時差法超聲波流量計，是利用超聲波在橫向穿過流動的液體時，在其順流和逆流介質中，其超聲波的速度有差異而形成速度差（時間差）。時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行測量的。具體方法如下：

    若在固定長度L的距離內，分別放置兩組超聲波發送和接收器，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為流體流動的速度；t1為順流傳播所需要的時間；t2為逆流傳播所需要的時間。

    那么，時間差就為：Δt=t2-t1=2Lv/（c2-v2）

    由上式可知，流體的流速正比于時間差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。
   
    其大致的原理過程為：由超聲波的探頭發射并接收超聲波信號，通過對其信號進行轉換、放大、運算、補償等一系列的處理過程.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行自動調整，并且可以通過功能顯示鍵隨時顯示出我們所需要的數值（如介質的流速、介質的瞬時流量、介質的累計流量、介質的累計運行時間、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，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狀態及其變化，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要特別注意，必須要保證探頭安裝處的直線管段為：上游側10D（管284徑）和下游側5D以上，并且在上游側30D以內，不能有擾動流體流動的因素（如泵，閥，節流孔、件等），同時在安裝處還應盡量避開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）在現場安裝好顯示計后，接通電源并輸入有關的參數，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°以內，首先確定其中一個探頭的安裝位置，并進行局部的打磨和拋光打平，做到無銹蝕、無麻點。
    （4）將紙帶的一邊經過打磨的中間部分環繞管路一周.紙帶的兩邊要很好地重合。
    （5）沿著打磨部分的紙邊劃一圓周線，并用紙帶圍出周長，在紙帶上做出標記。
    （6）取下紙帶，沿被測管軸線方向通過打磨部分劃一直線，與圓周線垂直相交于A點。
    （7）將紙帶按周長標記對折，形成半周長。然后讓紙帶的一個端邊與沿軸線方向劃的直線重合，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，與周線相交于A1點（AA1為圓管直徑）。
    （8）根據儀表顯示的安裝距離，用鋼卷尺由A1點沿軸線方向量出此值。局部打磨和拋光打平后，根據安裝距離劃一周線，與軸線方向的直線垂直相交于B點，B點即是另一個探頭的安裝位置。


    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，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。然后認真地調整探頭，使儀表的安裝位置指示值B達到3%以內，最后找到最佳的測量點。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對準。在緊固過程中，觀察安裝標記與安裝線，不應有任何的移動現象。

    3 時差法超聲波流量計的特點

    （1）由于時差法超聲波流量計采用了精密的時差法檢測，并有信號的自動跟蹤、溫度的自動補償等先進的技術，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。
    （2）對被測介質來說，超聲波流量計屬于非接觸測量，在安裝過程中不損壞管路，這可以滿足工廠工藝生產用水不斷流的要求，安裝極為方便。
    （3）在測量時，管道中沒有節流件，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參數有較寬的適用范圍，如水質、流體狀態、流體溫度及流速（0.1m/s~12m/s）等，工業與生活中的常用介質均能滿足要求。
    （5）電子線路的集成化程度高，幾乎不需要維護與修理，編程簡單靈活，用戶輸入的數據均為常用的原始直接數據，不需要經過人工計算，省時省力。

    4 結語

    由于超聲波流量計具有許多優點，20世紀80年代初，日本已將其普遍應用于自來水公司的大管徑供水管網。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合取代其他類型的流量測量儀表。這是科技進步的表現，也是時代的要求。目前，在國外超聲波流量計的測量技術已應用于蒸汽、空氣、煤氣等難以計量的無液體介質計量領域，一種具有非常廣泛用途的流量計。