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超声波流量计的测流原理及其应用 流量计技术指标

时间:2020-07-29    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
摘要:本文阐述了超声波流量计常用的时差法、多普勒法的测流原理,以及超声波流量计的分类。通过实际测流应用并与流速仪所测的流量结果做了对比分析,得出超声波流量计无论在测流准确度还是在测流精度上都比其它的测流设备高,而且具有其它测流设备所不具备的实时在线和数据远传的优越性能。
关键词:超声波流量计;时差法;多普勒;测流

1引言

近几年来,随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展,利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理,适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现,其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门,正日趋成为测流工作的工具。

2超声波流量计的测量原理

超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速,从而测出流量;多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。

2.1时差法测量原理

时差法测量流体流量的原理如图1所示。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。


图1超声波流量计测流原理图

设静止流体中声速为c,流体流动速度为v,把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成θ角,换能器的距离为L。从P1到P2顺流发射时,声波传播时间t1为:

从P2到P1逆流发射时,声波的传播时间t2为:

一般c>>v,则时差为:

单声道测试系统只适用于小型渠道水位和流速变化不大的场合。大型渠道水面宽、水深大,其流速纵横变化也较大,须采用多声道超声波测流才能获得准确的流量值,见图2。应用公式(5)、(6)可测得流量Q。

以上各式中:d为垂直于水流方向上两换能器之间水平投影的距离,为声道数,S为两声道之间的过水断面面积。


图2多声道超声波流量计测流原理图

2.2多普勒法测量原理

多普勒法测量原理,是依据声波中的多普勒效应,检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源,随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动,该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速,所以通过测量频率差就可以求得流速,进而可以得到流体流量,如图3。


图3多普勒超声波流量计测流原理图

当随流体以速度v运动的颗粒流向声波发生器时,颗粒接收到的声波频率f1为:

因此,声波接收器和发生器间的多普勒频移Δf为:

以上各式中:θ为声波方向与流体流速v之间的夹角,f0为声源的初始声波频率,c为声源在介质中的传播速度。若c>>vcosθ则

式(11)、(12)是按单个颗粒考虑时,测得的流体流速和流量。但对于实际含有大量粒群的水流,则应对所有频移信号进行统计处理。超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构,见图4。换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波,这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加,即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。

平均多普勒频移Δ-f可以表示为:

式中Δ-f——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值;
ΣNi——产生多普勒频移Δfi的粒子数;
Δfi——任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。

由上可知,该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度,因此要求信息窗应位于管渠内接近平均流速的部位,才能使其测量值反映管渠内流体的平均流速。


图4多普勒信息窗示意图

3超声波流量计的分类

3.1根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计

单声道超声波流量计是在被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道,应用比较多的换能器是外夹式和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便,但这种流量计对流态分布变化适应性差,测量精度不易控制,一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。多声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道,综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比,多声道流量计对流态分布变化适应能力强,测量精度高,可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠。

3.2根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计

管道流量计一般是指用于有压管道的流量计,其中也包括有压的各种形状断面的涵洞,这种流量计一般是通过一个或多个声道测量流体中的流速,然后求得流量。用于管渠的超声波流量计除了要具有测流速的换能器以外,还需要有测水位的换能器,根据测得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量计一般含有多个测速换能器(由声道数决定)和一个测水位换能器。多数河流超声波流量计仅测流速和水位,而河流的过水流量由用户根据河床断面进行计算。

4应用研究

结合国家大型灌区信息化建设的研究内容,作者在昌乐县高崖水库灌区的北干渠上布设了4处监测站:其中徐家庙监测站渠底宽7.0m,水深1.0~2.0m,采用5声道明渠超声波流量计监测,见图5。山秦监测站将一段明渠改造为有压管道输水,管径是1.4m,采用单声道管道超声波流量计监测,见图6。在日照水库灌区总干渠上布设了6个测站,其中石咀监测站渠宽4m,水深1.5~2m,采用了多普勒超声波流量计进行监测,见图7。


图7石咀测站多普勒超声波流量计示意图

各测站采用高精度流速仪对所测的瞬时流量进行对比分析。通过比较和个别参数修订,各测站测出的瞬时流量稳定可靠,与流速仪测出的数据有很高的一致性。

5结束语

超声波测流技术以其测量精度高、实时性好的特点越来越得到重视。但因其价格高、专业性强、维护管理要求高使其应用推广较慢。随着国家对水利投入的加大和节水型社会的建设,该技术设备将很快成为主要测流手段而得到广泛的应用。

参考文献
〔1〕马树升.灌区水情无线数传实时监控的内容与方法〔J〕.山东农业大学学报,2003,(1):63-65
〔2〕 杨丰,杨俊清.多普勒法测流技术简介〔J〕.水文,2004,(2):58-59
〔3〕 廖志敏,熊珊.超声波流量计的研究和应用〔J〕.管道计术与设备,2004,(4):12-14
〔4〕 雷艳,范秀华.梯形渠道多声道超声波测流数学模型及计算方法〔J〕.武汉水利水电大学学报,1997,(1):11-16

金属管浮子流量计采用可变面积式测量原理生产研究,适用于液体、气体、蒸汽等介质的测量,被广泛用于工业、石油、化工、治金、环保等领域中。今天我们主要来介绍一下金属管浮子流量计常见故障问题及处理方法,希望可以帮助到大家。

一、指针抖动

1.轻微指针抖动:一般由于介质波动引起。可采用增加阻尼的方式来克服。

2.中度指针抖动:一般由于介质流动状态造成。对于气体一般由于介质操作压力不稳造成。可采用稳压或稳流装置来克服或加大浮子流量计气阻尼。

3.剧烈指针抖动:主要由于介质脉动,气压不稳或用户给出的气体操作状态的压力、温度、流量与浮子流量计实际的状态不符,有较大差异造成浮子流量计过量程。

二、指针停到某一位置不动

主要原因是浮子流量计的浮子卡死。

一般由于浮子流量计使用时开启阀门过快,使得浮子飞快向上冲击止动器,造成止动器变形而将浮子卡死。但也不排除由于浮子导向杆与止动环不同心,造成浮子卡死。处理时可将仪表拆下,将变形的止动器取下整形,并检查与导向杆是否同心,如不同心可进行校正,然后将浮子装好,手推浮子,感觉浮子上下通畅无阻卡即可,另外,在浮子流量计安装时一定要垂直或水平安装,不能倾斜,否则也容易引起卡表并给测量带来误差。

三、测量误差大

1.安装不符合要求;

对于垂直安装浮子流量计要保持垂直,倾角不大于20度;

对于水平安装浮子流量计要保持水平,倾角不大于20度;

浮子流量计周围100mm空间不得有铁磁性物体;

安装位置要远离阀门变径口、泵出口、工艺管线转弯口等。要保持前5D后250mm直管段的要求。

2.液体介质的密度变化较大也是引起误差较大的一个原因。由于仪表在标定前,都将介质按用户给出的密度进行换算,换算成标校状态下水的流量进行标定,因此如果介质密度变化较大,会对测量造成很大误差。解决方法可将变化以后的介质密度带入公式,换算成误差修正系数,然后再将流量计测出的流量乘以系数换成真实的流量。

3.气体介质由于受到温度压力影响较大,建议采用温压补偿的方式来获得真实的流量。

4.由于长期使用及管道震动等多因素引起浮子流量计传感磁钢、指针、配重、旋转磁钢等活动部件松动,造成误差较大。解决方法:可先用手推指针的方式来验证。首先将指针按在RP位置,看输出是否为4mA,流量显示是否为0%,再依次按照刻度进行验证。若发现不符,可对部件进行位置调整。一般要求专业人员调整,否则会造成位置丢失,需返回厂家进行校正。



    涡轮流量计在使用过程中精确度下降,可能是以下原因:
    1、流体中的纤维状或粘性杂质附在流量计的转动部分,使转动阻力增大,造成仪表的指示值减少,出现负误差,对流体的供方不利。
    2、流体温度、压力的变化可能使管道内液体逸出所含的空气或者因管道内的压力低于流体的饱和蒸汽压、使部分液体变成蒸汽,也可能因介质的负压使外面的气体被吸入管道内,这些气体随着被测液体流动,造成仪表指示值增大,出现正误差,对流体的需方不利。
    3、介质中一般都有一些杂质,对轴承、轴要产生磨损,使两者间的间隙增大,动件的动平衡被破坏,转速下降,或者脏物进入间隙内,使运动阻力增大,转速下降。这些原因都造成仪表显示值减少,出现负误差,对流体的供方不利。
    4、恶劣的工作环境也会对测量结果产生较大的影响,比如电磁场干扰、灰尘、高温、振动、潮湿等,可能造成涡轮流量传感器的误动作或失灵,直接造成涡轮流量计的示值误差,误差是正值也可能是负值,可能不明显,也可能完全失效。对于上述现象,在比较严重时,能从流程工作状态的对比中发现问题,容易采取相应措施。但是,在问题初期,不采取特殊措施就不能发现问题。







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