現(xiàn)在盛行的便攜式超聲流量計(jì)使用方便靈活，一般適用于測(cè)量大口徑管道的流量，然而現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際測(cè)量精度，常因工作疏忽，換能器安裝距離及流通面積等測(cè)量的誤差而造成精度下降。不正確的安裝甚至?xí)沟脙x表完全不能工作。因此，儀表現(xiàn)場(chǎng)的安裝與調(diào)試對(duì)于測(cè)量是非常重要環(huán)節(jié)，本文就現(xiàn)場(chǎng)使用超聲波流量計(jì)所遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，總結(jié)出管道流量精確測(cè)量的方法。
一、超聲波流量計(jì)的原理
超聲流量計(jì)利用超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，可以載上流體流速信息的特性，通過(guò)接收和處理穿過(guò)流體的超聲波信息就可以檢測(cè)出流體的速度，從而換算成流量。它具有下列主要特點(diǎn)：①解決了大管徑、大流量及各類(lèi)明渠、暗渠的測(cè)量困難的問(wèn)題；②對(duì)介質(zhì)幾乎無(wú)要求；③測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響；④測(cè)量范圍度寬，一般可達(dá)20∶1。
時(shí)差法[1]測(cè)量是在被測(cè)流體內(nèi)由兩對(duì)超聲波發(fā)生器和接收器組成兩個(gè)通道，分別在順流方向和逆流方向發(fā)射超聲波脈沖，測(cè)量其傳播的時(shí)間差△t?！ ?br /> 順流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時(shí)間為
逆流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時(shí)間為
其中：L——超聲波發(fā)射器到接收器之間的距離，也稱(chēng)聲程；c——被測(cè)流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度；u——被測(cè)流體的速度。
在順流和逆流情況下超聲波的傳播時(shí)間差為
由于超聲波傳播速度c遠(yuǎn)大于流體流速u(mài)，故可認(rèn)為c2-u2≈c2，故
即
由上式可見(jiàn)：當(dāng)超聲波在靜止流體中的傳播速度可認(rèn)為常數(shù)時(shí)，流體流速就與時(shí)間差△t成正比，測(cè)量△t即可得到流速，進(jìn)而求得流量。
二、超聲波流量計(jì)的安裝與調(diào)試 一般，超聲波流量計(jì)的安裝應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：①詳細(xì)了解現(xiàn)場(chǎng)情況；②確定安裝方式；③選擇安裝管段；④計(jì)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(diào)并固定探頭。 2.1 換能器[2]的安裝 （1）正確選擇安裝地點(diǎn) 一般，當(dāng)管道內(nèi)徑為D時(shí)上游直管段長(zhǎng)度應(yīng)大于10D，下游大于5D。當(dāng)上游有泵、閥門(mén)等阻力件時(shí)，直管段長(zhǎng)度至少應(yīng)有30～50D，有時(shí)甚至要求更高，如距泵房要求70～100m。當(dāng)采用雙聲道或多聲道測(cè)量時(shí)，表前直管段可以有明顯縮短。 不同形式阻流件應(yīng)配置的直管段長(zhǎng)度列于表1所示。
（2）正確選擇安裝方式[3]
當(dāng)流體平行于管軸流動(dòng)時(shí)，通常可用圖1中的透過(guò)法（Z法）安裝能獲得較好的精度。但當(dāng)流體流動(dòng)方向與管軸不平行，存在半徑方向的速度成分時(shí)，應(yīng)采用圖1中的反射法（V法）或者采用2V法安裝。對(duì)于已配置好的流體管道，特別是測(cè)量大口徑管道流量時(shí)，由于上游流動(dòng)狀態(tài)的干擾而易于造成測(cè)量誤差的場(chǎng)合，比較合適的措施是增加測(cè)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(jìn)行平均，以抵消流體擾動(dòng)造成的測(cè)量誤差。增加測(cè)量線時(shí)，換能器的安裝應(yīng)使超聲波傳播途徑均勻地置于流通截面上。一般認(rèn)為有4條測(cè)量線（即4個(gè)換能器）就足夠了。
（3）確定安裝距離
換能器的安裝應(yīng)根據(jù)具體的測(cè)量方式依據(jù)說(shuō)明書(shū)上的步驟進(jìn)行，各種測(cè)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(yīng)用的透過(guò)法（Z法）的換能器安裝為例，說(shuō)明一對(duì)換能器的安裝距離的確定方法。
一對(duì)換能器的安裝有個(gè)基本原則，稱(chēng)為距離法[4]：就是發(fā)射換能器與接收換能器應(yīng)在管道的半圓平分線上（對(duì)于V法，則在同一半圓基線上），并根據(jù)實(shí)際的管道內(nèi)徑，壁厚及被測(cè)流體的性質(zhì)，參數(shù)等核算，確定兩換能器之間的軸間距離h，保證安裝時(shí)h值的準(zhǔn)確。其計(jì)算公式：
h=2δ tanθ2+D tanθ3
其中：δ——管壁厚；D——管內(nèi)徑；θ2——聲波進(jìn)入管壁中角度；θ3——聲波進(jìn)入流體中角度
目前的超聲波流量計(jì)顯示儀表一般都有計(jì)算安裝距離的功能，只要將管道材料、管徑、壁厚、等管道參數(shù)，流量計(jì)就能計(jì)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(chǎng)合。當(dāng)管道條件不好時(shí)，如由于使用時(shí)間太長(zhǎng)，結(jié)垢嚴(yán)重，又不知結(jié)垢（1）正確選擇安裝地點(diǎn)實(shí)際厚度，這時(shí)就很難確定安裝距離h，對(duì)于這種情況，可采用渡越時(shí)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(cè)，將另一只換能器涂上黃油在管道的另一側(cè)沿上，下，左，右方向移動(dòng)，觀察顯示儀表的循環(huán)顯示燈或數(shù)字，當(dāng)循環(huán)顯示燈亮了或有數(shù)字顯示，則微動(dòng)換能器，觀察渡越時(shí)間，當(dāng)渡越時(shí)間接近所給定的數(shù)值時(shí)，停止移動(dòng)換能器，此時(shí)若渡越時(shí)間的前4位數(shù)穩(wěn)定時(shí)，說(shuō)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(diǎn)
顯示儀表的安裝地點(diǎn)應(yīng)選擇振動(dòng)沖擊很小的位置，注意避免電磁場(chǎng)的影響，儀表電源應(yīng)避免引起電壓波動(dòng)，使用環(huán)境溫度亦應(yīng)在說(shuō)明書(shū)中的范圍之內(nèi)，除特殊密封儀表外，應(yīng)安裝在無(wú)腐蝕性的環(huán)境中。
（2）連線長(zhǎng)度
儀表與換能器之間的連線應(yīng)用屏蔽線，連線長(zhǎng)度按說(shuō)明書(shū)要求，一般不超過(guò)500m，但在發(fā)電廠，由于干擾較大，連線長(zhǎng)度一般不超過(guò)100m。
三、 實(shí)際案例與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
為了找出影響超聲波流量計(jì)精度的因素，在測(cè)量江蘇東南鋼鐵廠排水系統(tǒng)管道流量的時(shí)候，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)?？偨Y(jié)了一下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。
（1）要有足夠長(zhǎng)的表前直管段長(zhǎng)度（如表1所示）。
（2）管道幾何尺寸精確，管內(nèi)結(jié)垢不能太厚。由流量與管徑的關(guān)系可知，管徑每存在1%的誤差，就會(huì)產(chǎn)生約3%的流量測(cè)量誤差。因此，使用超聲波流量計(jì)時(shí)，必須將壁厚測(cè)量精確。
管道結(jié)垢，不但造成管徑誤差，還會(huì)使聲波發(fā)生散射，降低超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度。結(jié)垢過(guò)厚時(shí)，儀表甚至不能工作。表2為管道結(jié)垢對(duì)流量測(cè)量的影響計(jì)算表。
對(duì)于有的管道結(jié)垢已非常嚴(yán)重，可以先把換能器拿下來(lái)，用手錘敲敲安裝換能器的部位，水垢收到震動(dòng)后會(huì)局部掉落下來(lái)，再把換能器安裝在管道上測(cè)試，如果還不行，只有建議單位將測(cè)量段管道更新為不銹鋼管道。
（3）在儀表的上游的管道上設(shè)置排氣閥
輸水管道中有空氣是普遍存在的問(wèn)題，源水管道中氣體含量更大。管道中的氣體占據(jù)管道有效截面積，使流量測(cè)量產(chǎn)生誤差。如果管道中氣體過(guò)多，會(huì)使超聲波發(fā)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(yīng)安裝在儀表上游30D以上處，每隔一定時(shí)間就應(yīng)排氣一次。在東南鋼鐵廠DN600和DN900兩管道做試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有安裝排氣閥時(shí)，流量計(jì)約多計(jì)水量9%～10%。
（4）管道中的流體沒(méi)有充滿管道
當(dāng)換能器在管道上安裝好后，流量計(jì)接收的強(qiáng)度信號(hào)在熒幕上仍沒(méi)有顯示，而其他預(yù)顯程序正常時(shí)，說(shuō)明管道中流體沒(méi)有充滿管道。
四、本文結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)基本原理的了解和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，再次對(duì)東南鋼鐵廠的排水系統(tǒng)測(cè)量流量，通過(guò)與已校準(zhǔn)的在線流量計(jì)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮了以上干擾精度的因素和采用合適的安裝方法后，測(cè)量精度由第一次的±1.67%提高到±0.81%，滿足了測(cè)試精度的要求
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