超声波技术所具有的声学特性早已为人们所认识。但是,把超声波技术运用到工业测量中,则是近几年来,随着微电脑及电子技术的发展,对超声波信号发射、捕捉及处理手段的日益完善才得以实现的。目前,超声波物位计和超声波流量计已在山西铝厂被广泛使用。 超声波的声学特性
超声波是指频率超过20kHz的声波。为了充分认识超声波流量计,有必要了解超声波的特性。
(1)声速特性
超声波可以在固体、液体和气体中以不同的速度进行传播,其速度受介质温度、压力等因素的影响,但在相同外部环境下,超声波在同一介质中的传播速度是一常数。这是所有超声仪表进行测量的基础。
(2)反射特性
超声波从一种介质进入另一种介质时,由于两种介质密度不同,因而在两种介质分界面,其方向传播会发生改变:其中一部分折射入另一种介质,另一部分被反射回来。
当超声波以气体传播到固体或液体时,由于两种介质密度相差悬殊,声波几乎全部被反射,超声波物位计充分利用了这一特性。
当超声波以固体传播到液体(或反过来)时,声波因为传播的介质密度相近而几乎全部折射,超声波流量计则利用了这一特性。
(3)衰减特性
超声波在传播过程中,由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收,其强度会产生衰减。不论是超声波流量计还是超声波物位计,对所接受的声波强度都有一定要求,所以都要对各种衰减进行抑制。
3 超声波流量计及其应用概况
3.1两类超声波流量计
目前应用于工业测量的超声波流量计主要有两类,即多谱勒式超声波流量计和时差式超声波流量计。它们都采用了现代高精技术来处理超声波信号,都应用了超声波的相关声学特性,但其工作原理及应用场合等方面仍有很大不同,如表1所示。
3.2两类超声波流量计测量原理
表1 为了正确选型和合理使用超声波流量计,并且对实际应用中出现的问题进行分析、总结和解决,需要了解两类仪表的工作原理。
(1)多谱勒超声波流量计
两个探头对称地装在待测流体管路两侧。
发射探头发射频率为f1的超声波信号,经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后,频率发生偏移,以f2的频率反射到接收探头,这就是多谱勒效应,f2与fl之差即为多谱勒频移fd。
设流体流速为v,超声波声速为c,多谱勒频移fd正比于流体流速v:
即:fd=f2-f1=×v
所以流体流速:v=×fd
当管道条件、探头安装位置、发射频率、声速确定以后,c、f1、θ即为常数,流体流速和多谱勒频移成正比,通过测量频移就可得到流体流速,进而求得流体流量。
(2)时差式超声波流量计
时差式超声波流量计的两个探头装在待测流体管道的上游和下游,对于小口径管道,装在管道一侧,为V方式,对于大口径管道(直径大于200mm)则装在两侧,为Z方式,如图2所示。
图2
两个探头(即换能器)都可以发射和接收超声波信号。由于液体流速的作用,从上游侧探头发向下游的声速将增加;反之减小。两者传播的时间差直接与流体流速成正比,通过对时间差的检测即可计算出液压体流速,进而求得流量。
3.3超声波流量计在山西铝厂应用概况
目前,山西铝厂对上述两类超声波流量计都有现场使用。根据实际情况,氧化铝生产工艺中,料浆、精液、洗液等适合使用多谱勒式超声波流量计,如拜尔法工艺上溶出洗液的测量就使用了该仪表,而对清水的测量则适合使用时差式超声波流量计。从使用效果看,前者运行不太稳定,效果不太理想,而后者则已达到了令人满意的结果。
根据我们分析,一方面,使用多谱勒式超产波流量计所测管道的介质多为粘稠、高温等流体,特性各不相同,而且长期流动导致管壁结垢,影响超声波的正常穿透和传播;另一方面,从已掌握的资料看,时差技术比多谱勒技术更成熟、更可靠。
4 超声波物位计及其应用
超声波物位计,作为一种成熟的物位测量仪表,可以测量固体、液体的料位,已在山西铝厂二期生产工艺中广泛使用。目前,蒸发、沉降、二期中分等工艺现场大量使用了德国E+H公司生产的超声波物位计。主要有FMU671、FMU421和FMU231等系列产品,探头则有DU33、DU42等型号,其具体使用步骤、操作形式各不相同,但它们的基本原理、系统结构、功能及主要处理信号方式却大体相同。本文重点以山西铝厂8车间沉降槽上使用的FMU421(DU42探头)为例,来介绍超声波物位计的现场使用及其相关内容。
4.1超声波物位计的测量原理
超声波物位计运用了超声波的声学特性,即在一定条件下超声波在空气中的传播速度是一定的,所以通过测量超声波从探头传播至料位表面并返回到探头所用的时间,来计算探头到料位的距离,再用槽子的总高减去这个距离即可得实际料位,如图3所示。
图3
即: L=H-h=H-CT/2=H-(Co+at)T2
其中: H为零料位到探头的距离,m;
h为料位表面到探头的距离,m;
T为时间,s;
C。为0℃时超声波在空气中的传播速度,ms;
α为超声波速度的温度系数,m℃;
t为温度度,℃。
超声波物位计的核心部件是测量探头、微处理器,信号的发送、接收和处理就是通过这两者来完成的。
4.2超声波物位计的应用概况
在现场实际运用超声波物位计时,会有各种因素对其稳定、可靠的测量产生影响,下面我们将结合实际,讲述各种干扰对超声波物位计选用、使用、安装的影响。
(1)介质及环境温度的影响
超声波从物料表面反射时,其反射频率会受到物料温度的影响而发生变化,为了补偿这一变化,超声波探头内装有温度传感器,当探头向处理器发送反射信号的同时,也把温度信号送到微处理器,处理器将自动补偿由于温度对料位测量的影响。
此外,为了保证探头的可靠工作,要求环境温度不超过60℃。
(2)搅拌器对物位计测量的影响
如果物料容器内装搅拌器,它同样会反射超声波信号,造成假反射回波,并被传送到微处理器。微处理器将根据统计学原理处理真假面具回波,所以要求超声波从物料表面反射的回波应至少为从搅拌器臂反射的回波的3倍。适当降低搅拌器的转速,或将探头偏离搅拌中心,都可以有效消除搅拌器产生的假面反射对料位测量的影响。
(3)超声波物位计测量料位的极限值
1)*高料位
当一束超声波脉冲向物料表面传送过程中,若收到从物料表面来的反射波,将无法进行测量,这段距离就是盲区。物料*高料位不得高于盲区。
2)*低料位
*低料位也就是使超声波能到达的距离传感器的*远距离,并且使反射回波能被传感器接收。由于超声波在传播过程中的衰减以及物料表面对声波的吸收,这一传播距离对物料性质依赖性很强,对于DU33来说,可测液体范围为25m,固体范围为15m。
总之,只要仪表选型、安装适当,超声波物位计的应用效果还是比较满意的。
电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。
在电磁流量计中,测量管内的导电介质相当于法 拉第试验中的导电金属杆,上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。
当有导电介质流过时,则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。
测量管道通过不导电的内衬(橡胶,特氟隆等)实现与流体和测量电极的电磁隔离。
测量原理
根据法拉第电磁感应定律,在磁感应强度为B的均匀磁场中,垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道;
当导电液体在管道中以流速v流动时,导电流体就切割磁力线。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极则可以证明;
只要管道内流速分布为轴对称分布,两电极之间产生感生电动势:
e=KBDv (3-36)
式中,v为管道截面上的平均流速,k为仪表常数。
由此可得管道的体积流量为:
qv= πeD/4KB (3-37)
由上式可见,体积流量qv与感应电动势e和测量管内径D成线性关系,与磁场的磁感应强度B成反比,与其它物理参数无关.这就是电磁流量计的测量原理。
需要说明的是,要使式(3—37)严格成立,必须使电磁流量计测量条件满足下列假定:
①磁场是均匀分布的恒定磁场;
②被测流体的流速轴对称分布;
③被测液体是非磁性的;
④被测液体的电导率均匀且各向同性。
涡街流量计广泛适用于石油、化工、冶金、热力、纺织、造纸等行业对过热蒸汽、饱和蒸汽、压缩空气和一般气体、水和液体的计量和控制。涡街流量计在热水计量时应注意哪些问题:
1、单相介质不变:
蒸汽介质由于温度不同,传输距离不同,其状态有过热汽,饱和汽,湿饱和汽,汽水混合和水。流量计在后三种状态计量很不准,而测热水单相介质,涡街流量更能保证计精度。
2、量程范围:
相比蒸汽,热水的介质密度更大,作用在探头体的力更强,产生信号的幅度更大,信号处理范围很宽,好的传感器量程范围比可达50~60∶1,这样计量和选型范围更宽,能适应更多热用户。
3、损耗:
供水管网主要控制失水量,它是损耗的一个主要指标,通过补水可以反映损耗大小。要杜绝自身管网跑冒滴漏,也要控制热用户非采暖使用。
4、流量上限计量准确:
对蒸汽计量,由于介质本身特性和热交换机组的形式不同,可是蒸汽流速超过90米/秒,这样使涡街流量计丢失脉冲,计量失准,测热水时由于介质特性和装置限制,很难超过9米/秒,也解决涡街流量计上限漏脉冲问题。
5、标定和使用更接近:
涡街流量计测蒸汽标定时一般都用空气,因标定和使用介质不同,其计量还有差距,测热水和用水标定介质相同,标定和实际测量误差更小。
6、影响涡街流量计准确计量的因素:
与蒸汽计量不同,由于水的压缩系数很小,像影响蒸汽计量的压力,温度,介质因素对热水计量影响极小,但仍要注意震动对涡街流量的影响。
7、涡街流量计的安装:
与测蒸汽不同,测热水时,涡街流量计的安装应确保满管,没有空气,水平安装适应在最低处,垂直安装时应确保热水从下向上流,流量计处不满管,计量失准。
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