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时差法超声波流量计原理及应用案例 流量计技术指标

时间:2020-07-30    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
引言

超声波流量计主要用于气体、液体和蒸汽的体积流量测量,在冶金、化工、食品加工、标准计量等领域有着广泛的应用。超声波流量计已有几十年的历史,在原理上主要利用多普勒效应法和时差法。多普勒效应法需要流体中含有反射物质,主要应用于两相流体的检测,此处主要探讨时差法检测。

1 时差法原理

超声波有两个重要的特性:定向性,它频率高且短,可以象光波一样沿直线传播;可以在气体、液体、固体中传播。所以大部分流体介质都能用超声波原理检测。它的测量方法可简单比喻为在河流上渡船摆渡的过程,顺流摆渡渡船到达对岸所需的时间要比逆流的少。河流的流速越大,顺流的速度越快,而逆流所需的时间越长。顺流和逆流所需时间的时间差直接与河流的流速有关。在超声波流量计中超声波好比渡船,河流流速等于流体的流速。电声变换器发送和接受的短促声脉冲信号穿过管道中流动的介质。两个变换器分别安装在纵向有偏移的测量管道两侧。这时超声波顺流和逆流传播的时间差与流体的流速成正比。时差法原理如图1所示。

1.1 基本原理

在直型管道中由发送器(S)以与流动方向成锐角的方式发射穿过流动气体或液体的超声波,并用一个接收器(E)接收信号。


图1 时差法原理

在静态液体中,从发送器到接收器超声波运动的速度为c,液体流动的速度为υ,在观察点O处流动速度υ在超声波运动方向上的速度分量是Vα,在流动液体中与此相应的超声波速度为:

c1=c+Vα=c+cosα

如果把发送器和接收器互换,那么速度分量的方向与超声波运动方向相反,超声波的速度为:

c2=c-Vα=c-cosα

当测量距离l已知时,由在测量距离l上的流体平均速度来确定测量时间t1。该时间是顺流时超声波运行距离l所需的时间。但是超声波速度与液体的温度有关,为了补偿温度对测量结果的影响,必须在顺流和逆流两个方向上同时发射超声波,以便同时考虑加以计算。这样,用超声波信号前边缘检测的时间t1和t2为:

由此导出流体V平均流速为:

在测量路径长度L、倾角α以及管道几何尺寸不变的前提条件下,能通过测量2个计时时间t1和t2计算管道的平均速度和静态声速。

两脉冲运行的时间差为:

式中,D为管道的直径。

时间差与沿测量管道方向的平均流速精确地呈线性关系(超声波声道)。但时间差的量值很小,所以时间信号检测非常重要。

1.2 时间信号的检测方法

在时间检测过程中,控制发送的压电脉冲和处理接收信号的测量变送器必须保证有很高的时间分辨率。检测方法经历了过零点检测、相关测量分析以及抗干扰能力和测量精度有很大改善的复杂数字信号处理等阶段。

1.3 发送器和接收器的原理

超声波发送器的种类很多,大致可分为机械和电声两大类。在超声波流量计中通常使用电声型发送器。

电声型超声波发送器把电磁能量转换为机械波的能量。这种能量转换通过电声换能器完成。电声转换器的作用是将高频电源的电磁振荡能量转换为机械振动能量发出超声波。常用的为压电式,压电式换能器使用逆压电效应产生超声波,从几十千赫到几十兆赫,非常适合工业使用。

1.4 多声道检测

根据介质的雷诺系数,流体可分为层流和紊流。虽然在基本原理中超声波流量计采用理想的平均速度进行计算,但实际上波速和流速在微观上形成合成速度的关系很复杂,很难采用简单平均的方法进行计算。

为了精确地测量与雷诺系数无关的流量值,自1978年以后就采用双声道测量法,测量精度大大提高。在粘度已知的条件下从层流向紊流的过渡过程中,双声道超声波流量计的示值相对测量误差可达到0.5%。

虽然双声道方法使测量精度得到提高,但未能区别出流速所处的状态,为了进一步提高测量精度,现在多声道测量法被越来越多地使用,它能更详细地描述流速分布曲线形状,以便对测量精度进行补偿。从层流到紊流状态过渡时,它的允许示值相对测量误差可达到±0.15%。

2 特点

(1)信号自动跟踪,温度自动补偿,因此运行稳定、可靠。

(2)属于非接触性测量,安装方便,不损坏管道,并且能广泛地应用于水、气、酸、碱等介质。

(3)结构简单,维护量小。

(4)无节流部件,没有压损,有利于节约能源。

3 安装要求

(1)选择充满流体、易于超声波传输的管段,如垂直管段(流体向上流动)或水平管段。

(2)安装距离应选择上游大于10倍直管径、下游大于5倍直管径以内无任何阀门、弯头、变径等均匀的直管段,安装点应远离泵、高压电和变频器等干扰源。

(3)充分考虑管内壁结垢状况,尽量选择无结垢的管段进行测量。实在不能满足时,需把结垢考虑为衬里以求较好的测量精度。

(4)要保证测量点处的温度和压力在传感器可工作范围以内。

(5)2个传感器必须安装在管道轴面的水平方向上,并且在轴线水平位置±45°范围内,以防止上部有不满管、气泡或下部有沉淀等现象影响传感器正常测量。

4 结语

随着电子技术的迅速发展、超声波技术的普及、成本的下降和可靠性的提高,不论是技术方面还是经济方面,超声波测量仪器都是流量测量的理想选择。
电磁流量计的日常保养
  1、日常维护

  仅需对电磁流量计作周期性直观检查,检查仪表周围环境,扫除尘垢,确保不进水和其他物质,检查接线是否良好,检查仪表附近有否新装强电磁场设备或有新装电线横跨仪表。

  若是测量介质容易沾污电极或在测量管壁内沉淀、结垢、应定期作清垢、清洗。

  2、故障查找

  流量计开始投运或正常投运一段时间后发现仪表工作不正常,应首先检查流量计外部情况,如是否良好、管道是否泄露或处于非满管状态、管道内是否有气泡、信号电缆是否损坏、转换器输出信号(即后位仪表输入回路)是否开路。切记盲目拆修流量计。

  3、检查

  测试设备:500MΩ绝缘电阻测试仪一台,一只。

  测试步骤:

  (1) 在管道充满介质的情况下,用万用表测量接线端子A、B与C之间的电阻值,A-C、B-C之间的阻值应大至相等。若差异在1倍以上,可能是电极出现渗漏、测量管外壁或接线盒内有冷凝水吸附。

  (2) 在衬里干燥情况下,用MΩ表测A-C、B-C之间的绝缘电阻(应大于200MΩ)。再用万用表测量端子A、B与测量管内二只电极的电阻(应呈短路连通状态)。若绝缘电阻很小,说明电极渗漏,应将整套流量计返厂维修。若绝缘有所下降但仍有50MΩ以上且步骤(1)的检查结果正常,则可能是测量管外壁受潮,可用热风机对外壳内部进行烘干。

  (3) 用万用表测量X、Y之间的电阻,若超过200Ω,则励磁线圈及其引出线可能开路或接触不良。拆下端子板检查。

  (4) 检查X、Y与C之间的绝缘电阻,应在200MΩ以上,若有所下降,用热风对外壳内部进行烘干处理。实际运行时,线圈绝缘性下降将导致测量误差增大、仪表输出信号不稳定。

  (5) 如判定传感器有故障,请与 电磁流量计 生产厂家联系,一般现场无法解决,需到厂家维修。

  4、转换器检查

  如判定是转换器故障,经检查外部原因没问题的情况下,请与电磁流量计生产厂家联系,厂家一般会采取更换线路板的方式解决。

标签: 电磁流量计
电磁流量计 电磁流量计的日常保养_电磁流量计

在测量污水、浆液等介质时,管道内壁和电极表面容易发生结垢和产生附着物。当结垢物质的电导率和被测介质的电导率不同时,就会带来测量误差。污泥、油污对电极的附着,也会使仪表输出发生摆动和漂移。因此,在一些情况下需要对电极进行维护处理。譬如说,清洗电极和更换电极。

电极清洗常用的方法有以下几种:

(l)电化学方法

金属电极在电解质流体中存在电化学现象。根据电化学原理,电极与流体存在界面电场,电极与流体的界面电场是电极/流体相问存在的双电层所引起的。对于电极与流体界面电场的研究发现物质的分子、原子或离子在界面具有富集或贫乏的吸附现象,而且发现大多数无机阴离子是表面活性物质,具有典型的离子吸附规律,而无机阳离子的表面活性很小,因此电化学清洗电极仅考虑阴离子吸附的情况。阴离子的吸附与电极电位有密切关系,吸附主要发生在比零电荷电位更正的电位范围,即带异号电荷的电报表面。在同号电荷的电极表面上,当剩余电荷密度稍大时,静电斥力大于吸附作用力,阴离子很快就脱附了,这就是电化学清洗的原理。有些公司通过把两个正向二极管的压降加在信号回路上,然后以共模的形式将负的约1.2. 1.4V的电压加到两电极。因为在两电极上所加的电压是负的直流共模电压,不会造成放大器饱和。直流共模电压叠加在微小的交变流量信号上,由电容将直流隔离,并由前置放大器将共模电压抑制,直流共模电压不会影响到流量的测量。加在电极上的直流负电压,形成负的电场能推斥附着在电极上的物质,达到清洗电极的日的。这种方法在交流励磁中能有效地、自动地、连续地进行电极消洗。但对于低频矩形波励磁,由于极化电压幅度较高,作用不一定很好,所以近来很少见到。

(2)机械清除法

机械清除法是通过在电极上安装特殊的机械结构来实现电极清除。目前有两种形式:

一种是采用机械刮除器。用不锈钢制戚一把带有细轴的gua刀,通过空心电极把gua刀引出,细轴和空心电极之间采用机械密封以防止介质外,于是绀成了机械刮除器。当从外面转动细轴时,gua刀紧贴电极端平面转动,刮除污垢。这种刮除器可以手动,也可以用马达驱动细轴自动刮除。另一种是在管状电极中,装上清除污垢用的钢丝刷,轴裹在密封的“O”形圈里,以防止流体泄漏。这种清洗装置需要有人经常拉动钢丝届来清洗电极。

(3)超声波清洗的方法

将超声波发生器产生的45~ 65kHz的超声波电压加到电极上,使超声波的能量集  变大,所加电压几乎集中在附着物上,高电压会将附着物击穿,然后被流体冲走。从安全出发,使用电击穿法必须是在*量计中断测量、传感器与转换器与转换器间信号线断开、停电情况下将交流(50Hz或60Hz)高压电直接在传感器信号输出端子上进行清洗。

(5)提高测量管内的平均

流速和使用尖头小面积电极在测量容易结垢、粘附的介质时,通常可以选择比工艺管径小的传感器,提高流速。经验表明,管内平均流速高于2m/s,一般沉淀附着可能性较小。也有采取瞬间加大流速3—5m/s(视附着情形定)冲刷附着层。电极头部突出成尖状,受流体冲刷力大(因为管壁流速等于零,尖头脱离管壁边界层进入流速层),所以附着污染可能性小。另外、由于小面积电极本身的信号内电阻大,电极附着污染后引起信号内电阻的改变影响小,因此对仪表测量的影响也小.

希望以上的分析对大家有所帮助。因为只有正确使用它才能发挥它的作用。而我们关于这些信息的会及时为您奉上。保证您和产品的使用正常。

 



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