超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术的发展才出现的一种非接触式仪表,适于测量不易接触、观察的流体以及大管径流量。使用超声波流量计,不用在流体中安装测量元件,故不会改变流体的流动状态,不产生附加阻力,仪表的安装及检修均可在不影响生产管线运行的情况下进行,因而是一种理想的节能型流量计。
影响超声波流量计准确度的技术因素有:
1、安装直管段的长度:
在安装时,除了要选择流体流场分布均匀的部分,还要保证足够的直管段要求,以便使流体形成稳定的速度分布。一般要求前直管段为10DN,后直管段为5DN。另外,要尽量远离泵和阀门,泵应该距离测量管段上游50DN,流量调节阀应该距离测量管段上游30DN,如果直管段长度达不到要求,测量准确度将会下降。
2、工艺管道参数:
在旧管线上安装使用超声波流量计时,一定要准确的得到工艺管道的参数,如管道的外径、壁厚、材质、衬里等。对于比较脏污的管线,还要把结垢考虑为衬里,以求得较准确的测量结果。
3、安装方式和位置:
由于管道中的气泡和杂质会反射或者衰减超声波信号,给测量带来很大的误差,所以在安装时一定要选择正确的安装方式。换能器探头安装在倾斜和水平管道上时,一般应该水平安装,这样就可以使气泡聚集在管道的上方,而大的杂质则沿着管道的底部流动.应该尽可能使换能器探头处于和水平面成45°角的范围内。另外,安装的部位要有一定的背压,从而保证管道内充满流体,没有气泡或者气泡较少。
4、其他因素:
(1)安装换能器探头部位的去漆、除锈及砂平;
(2)选择管道材质均匀密致,易于超声波传输的直管段;
(3)选择合适的耦合剂;
(4)选择合适的流体类型;
(5)精确换能器探头的安装距离;
(6)选择配套的探头类型;
(7)保证换能器探头部位的温度在可工作的范围内。
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表,目的是解决一些测量困难的问题。超声波流量计,集计算机和传感器技术于一身,将声学的研究成果与现代电子技术结合在一起,可以用于多种液体的测量。
噪声的来源分析
在超声波流量计测量系统中,构成噪声源物质的类型很多。如:
(1)流量计安装环境中可能存在的较大的电场和磁场干扰;
(2)靠近水泵安装时的水泵带来的接近于超声波信号的噪音;
(3)操作人员随身携带的通信系统;
(4)电源中的高次谐波;
(5)电路板上高频晶体振荡器所带来的噪声干扰。对于从外界来的噪声干扰源,主要采用降低电路对噪声的敏感度、减少噪声拾取、切断噪声耦合路径的办法解决,而对于来自于系统内部,如电路板上的噪声源,则采取信号地、数字地分离、多点接地、合理布线的方法解决。
典型的噪声路径框图如图1所示。可以看出,一个噪声问题的产生必须具备三个要素,首先,必须有噪声源;其次,必须有对噪声敏感的接收器;第三,必须有一个将噪声从源头传送到接收器的耦合路径。因而要解决噪声问题就必须从这三个方面着手解决。
超声波流量计改良措施
1、滤波
因为超声波信号的频率大致为1Mhz,由运放和电容等器件构成的有源滤波器的带宽较小,最大在几百千赫兹,在这个频率附近不易采用,而若采用专用集成的滤波电路造价又偏高,因此这里采用了简单易行的由电感和电容组成的LC 滤波器。
由L和C组成并联谐振,将谐振频率设在1.5MHz,由L1、C1 以及 L2、C2组成串联谐振,整个形成T型网路,实现了带通滤波。
除了设计信号处理中的滤波电路外,对所有进出屏蔽盒的导线都实施了滤波措施。在导线穿透屏蔽体的地方,使用了馈通电容,并且在导线和电路端的地之间又连接了一个短引脚的云母电容。
2、 屏蔽
在本次设计中采用了以铝为材料的壳体,对处于内部的仪器形成电场和磁场的保护层。众所周知,理想的屏蔽体应是一个封闭的、连续的导电壳体,没有开孔和接缝。然而实际使用中却因为要布线,很难达到真正的屏蔽。通过对屏蔽的不连续性对磁场感应电流影响的分析,这里没有采用矩形缝隙走线,而采用了在屏蔽盒多个面上开小孔的策略,并且使进出屏蔽体的导线的屏蔽层都360°连接到屏蔽盒上。这样做的好处是直接改善了系统对于电场和磁场的忍耐能力,增强了性能。
3、平衡电路
平衡电路是用于产生相同和相反信号的电路,将这些信号送入两个导线;电路的平衡特性越好,信号的散射就越小;它的噪声抑制特性也越好。
平衡电路抵消干扰信号的能力,是建立在信号波形和幅值严格对称,同、反相端电路增益严格一致的基础上的,理论上,理想的平衡放大器对感应噪声具有无穷大的抑制比,可以将干扰信号完全抵消,但在实际应用中,平衡电路由于增益误差等原因,抗干扰能力不可能达到理想值,甚至会产生一些新的失真和噪音。但即使这样,相对于单端电路只能采用加强屏蔽和进行电源滤波来降低干扰来讲,平衡电路仍不失为一种主动式、积极有效的抗干扰措施,在恶劣电磁环境、长距离传输时优势非常明显。
安装超声波流量计,增加流量信号后,可以利用瞬时流量的对比区分管道泄漏与管道正常工况的变化:当管道发生泄漏时,管道上游端瞬时流量上升、压力下降,管道泄漏端瞬时流量下降、压力下降;管道正常工况变化时,管道上下、游端流量、压力同时上升或下降。利用这一特点,可以准确区分管道是否发生泄漏。
1、当管道首末端安装流量计后,可以采用实时模型法判断和定位泄漏。实时模型法认为流体输送管道是一个复杂的水力与热力系统,根据瞬变流的水力模型和热力模型及沿程摩阻的达西公式建立起管道的实时模型,以测量的压力、流量等参数作为边界条件,由模型估计管道内的压力、流量等参数值,估计值与实测值比较,当偏差大于给定值时,即认为发生了泄漏。
2、管道首末端安装流量计,为需要流量计提供累计流量、瞬时流量等参数。
3、采用管道首末端流量计提供的累计流量值,可以根据质量平衡法判断管道是否发生泄漏,进行流量对比的时间段可以改变,以发现较小的泄漏。
4、采用流量平衡法,需要同时测量流体的温度,以便对流量数据进行修正。流量平衡法可以弥补这种缺点,它也是判断管道是否发生泄漏的一种常用方法,这种方法依靠质量守恒定律,没有泄漏时进入管道的质量流量和流出管道的质量流量是相等的。如果进入流量大于流出流量,就可以判断出管道中间有泄漏点。对于加热输送的管道,还需计算沿程温降对流体密度和体积的影响。这意味着“进多少出多少”的简单系统在某些应用中是不够完善的,为此质量/流量平衡法检测管道泄漏的故障方法需要配合其它方法联合使用。
5、采用管道首末端流量计提供的瞬时流量值,可以根据瞬时流量的变化,准确判断管道是否发生泄漏,排除正常的工况变化。
6、可以建立管道的实时模型,根据实时模型法判断是否发生泄漏以及确定泄漏发生的位置。
7、可以采用多种方法判断泄漏和定位泄漏。利用流量校核帮助判断管道是否发生泄漏。