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超声波流量计的选型及应用 流量计是如何工作的

时间:2020-08-19    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     

摘 要 超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表,它从80年代开始进入我国工业生产和计量领域,并在90年代得到迅速发展。文章对我佃国内市场上出现 了各类超声波流量进行了深入研究分析,结合多年的实际应用经验,系统阐述了超声波流量计的分类方法;从仪表性能、被测介质经济性,实用性等方面总结了选用超声波流量的原则,并对应用中如何选位、安装、维护提出具体建议,为用户合理选择和应用超声波流量计提供了一些可以借鉴的经验和方法。
关键词 超声流量计;换能器;时差式;安装方式

近几年来,随着电子技术、数字技术的发展,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型式的超声波流量计得到了广泛应用,同时也对广大用户提出如何认识超声波流量计、怎样选择合适的类型,使用中应注意些什么问题等一系列问题,本文综合国内超声波流量计目前的发展情况及多年应用的实践,对上述问题进行了些探讨。

1 超声波流量计的分类

超声波流量计的各类很多,依照不同的分类方法,可以分为不同类型的超声波流量计。
1.1 多谱勒式超声波流量计

 

如图1,换能器1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的频率反射到换能器2,这就是多谱勒将就,f2与f1之差即为多谱勒频差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


所以流体流速


当管道条件、换能器安装位置、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。

1.2时差式超声波流量计

时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。
如图2,换能器1向换能器2发射超声波信号,这是顺流方向,其传播时间为


反之,逆流方向的传播时间为:
时间差为:
由于c>>v,故
所以,流体流速
同样,c、L、θ均为常数,测得时间差△t即可求出流体流速v进而求得流体流量。

2 区别

根据超声波流量计使用场合不同,可以分为固定式超声波流量计和便携式超声波流量计。

2.1这两类超声波流量计的主要区别

(1)适用的场合不同
固定式超声波流量计用于安装在某一固定位置,对某一特定管道内流体的流量进行长期不间断的计量;便携式超声波流量计具有很大的机动性,主要用于对不同管道的流体流量作临时性测量。
(2)供电方式不同
固定式超声波流量计要求长期连续运行,所以要使用220V交流电源,便携式超声波流量计既可以使用现场的交流电源,也备有内置充电电池,可以连续工作5~10h[小时],大大方便了不同场合临时性流量测量的需要。
(3)部分功能不同
因定式超声波流量计,通常都有4-20mA信号输出等功能,供远传显示使用,但其内部只能存贮一条管道的参数;便携式超声波流量计只是为了现场查看当时流量和短时间内的累计流量,故一般无输出信号功能,但为了方便测量不同管道流量,它具有丰富的贮存功能,可以同时存贮数十条不同管道的参数,供随时调出使用。


2.2 换能器供电方式不同

可以分为外贴式、插入式、管段式三种超声波流量计。
(1)外贴式
外贴式超声波流量计是生产早,用户熟悉且应用广泛的超声波流量计,安装换能器无需管道断流,即贴即用,它充分体现了超声波流量计安装简单、使用方便的特点。
(2)管段式
某些管道因材质疏、导声不良,或者锈蚀严重,衬里和管道内空间有间隙等原因,导致超声波信号衰减严重,用外贴式超声波流量计无法正常测量,所以产生了管段式超声波流量计。
管段式超声波流量计把换能器和测量管组成一体,解决了外贴式流量计在测量中的一个难题。而且测量精度也比其它超声波流量计要高,但同时也牺牲了外贴式超声波流量计不断流安装这一优点,要求切开管道安装换能器。
(3)插入式
插入式超声波流量计 介于上述二者中间。在安装上可以不断流,利用专门工具在有水的管道上打孔,把换能器插入管道内,完成安装。由于换能器在管道内,其信号的发射、接受只经过被测介质,而不经过管壁和衬里,所以其测量不受管质和管衬材料限制。

3 超声波流量计的选型

超声波流量计除上述各种类型外,近年来又出现了采用数字化电路的数字式超声波流量计,把换能器和转换器做在一起的一体式超声波流量计,等等。面对众多类型的超声波流量计,用户要根据实际情况和测量需要合理选型。

3.1多谱勒式超声波流量计

只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体,如工厂排放液、未处理的污水、杂志含量稳定的工厂过程液等。要注意它对被测介质要求比较苛刻,即不能是洁净水,同时杂技含量要相对稳定,才可以正常测量,而且不同厂家的仪表性能及对被测厂家的要求也不一样。选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数,也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解。


3.2便携式超声波流量计

适用于临时性测量,主要用于校对管道上已安装其它流量仪表的运行状态,进行一个区域内的流体平衡测试 ,检查管道的当时流量情况等。如果不作固定安装,而用于这些用途时,选用便携式超声波流量计既方便又经济。

3.3时差式超声波流量计

目前生产多、应用范围广泛的是时差式超声波流量计。它主要用来测量洁净的流体流量,在自来水公司和工业用水领域,得到广泛应用。此外它也可以测量杂技含量不高(杂质含量小于10g/L,粒径小于1mm)的均匀流体,如污水等介质的流量,而且精度可达±1.5%。实际应用表明,选用时差式超声波流量计,对相应流体的测量都可以达到满意的效果。

3.4管道式超声波流量计

精度高,可达到±0.5%,而且不受管道材质、衬里的限制,适用于流量测量精度要求高的场合。但随着管径的增大,成本也会随增加,通常情况下,选用中小口径的管段式超声波流量计,较为经济。

3.5固定式超声波流量计

如果有足够的安装空间,使用插入式换能器代替外贴式换能器,彻底消除了管衬、结垢及管壁对超声波信号衰减的影响,测量稳定性更高,也大大减小了维护工作量。而且,由于插入式换能器也可以不断流安装,所以其应用正在不断推广。
有的厂家推出了内部为数字化电路的超声波流量计,其特点是采用数字电路处理信号,纠错能力增强,取样及时,精度提高(模拟电路的精度为±1.5%,数字电路可以达到±1.0%),而且集成度提高,仪表体积大大减小,有多种信号输出模式供选择,在实际应用也取得了很好的效果。用户在使用中可以和模拟电路的超声波流量计进行比较。
超声波流量计的功能选择,用户可以根据实际情况来确定。如果测量双向流体,一定要选择带有正负计量功能的超声波流量计;如果用户需要定期了解流体在一定时段有流量情况,可以选择带打印机的超声波流量计。总之,所选择的超声波流量计的功能既要满足用户需要,也不必贪多求全,造成许多功能闭置不用,而增加购买成本。

4 超声波流量计的应用

超声波流量计在应用中,需要注意以下几个方面的问题:

4.1 正确选择

这是超声波流量计能够正常工作的基础。如果选型不当,或会造成流量无法测量,或者用户使用不做便等后果。具体选型原则,前面已做了详细的介绍。

4.2 合理安装

换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时除保证足够的上、下游直管段外,尤其要注意换能器尽量避开有变频调速嚣、电焊机等污染电源的场合。在安装方式上,主要有对贴安装方式和V方式、Z方式三种,如图3。多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式,时差式超声波流量计采用V方式和Z方式,通常情况下,管径小于300mm时,采用V方式安装, 管径大于200mm时,采用Z方式安装。对于即可以用V方式安装又可以方式安装的换能器,尽量选用Z方式。实践表明,Z方式安装的换能器超声波信号强度高,测量的稳定性也好。

 

4.3 及时核校
对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户,可以配备一台同类型的便携式超声波流量计,用于核校现场仪表的情况。一是坚持一装一校,即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校,确保选位好、安装好、测量准;二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时,要利用便携式超声波流量计进行及时核校,查清流量突变的原因,弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。

4.4 定期维护

与其他流量仪表相比,超声波流量计的维护量是比较小的。对于外贴换能器超声波流量计,安装以后无水压损失,无潜在漏水,只需定期检查换能器是否松动,与管道之间的粘合剂是否良好即可;插入式超声波流量计,要定期清理探头上沉积的杂质、水垢等有无漏水现象;如果是一体式超声波流量计,要检查流量计与管道之间的法兰链接是否良好,并考虑现场温度和湿度对其电子部件的影响,等待。定期维护可以确保超声波流量计的长期稳定运行。



    液体涡轮流量计是一种常用的流量测量仪器,具有机构紧凑、读数直观清晰、可靠性高、不受外界电源干扰、抗雷击、成本低等明显优点。涡轮流量计使用过程中会出现一定故障问题,用户对于故障处理方法必须要掌握。今天小编就来为大家具体介绍一下涡轮流量计常见故障及处理方法,希望可以帮助到大家。
    涡轮流量计常见故障及处理方法:
    一、流量波动比较大
    对于流量波动比较大造成的原因可从以下几个方面考虑:
    1、水源是否是脉动流
    (1)一般来说用泵抽原料,如果流量安装位置离泵比较近,很容易产生脉动流,从而造成流量波动比较大,此时解决办法,增加泵和流量计之间的直管道距离,使流量稳定。
    (2)流量计安装位置离阀门或弯管位置太近,当原料经过阀门或弯管部分,造成流量波动。此时应该远离阀门和弯管位置,保证一定的前后直管段
    2、是否存在干扰
    流量计附近有电机,变频器,强电之类的干扰源。解决办法:流量计仪表接地,或加滤波电容。如解决不了,应该远离干扰源。
    二、流量计无显示流量解决办法
    (1)首先检查线路是否存在问题,如信号线脱落,有断线等。
    (2)将传感器和信号放大器分离,信号放大器与仪表连接,用铁质金属在取信号的放大器底部距离2~3mm距离来回划动,如仪表有显示,则说明显示部分无问题。请将流量传感器从管道卸下,检查流量计叶轮是否被缠住或叶轮出现破损现象。
    三、流量计显示流量小,而实际流量比较大
    一般造成这个问题的原因是叶轮旋转不滑快或叶片断裂。将流量从管道拆除,检查流量计是否被缠住或有破损现象。
    四、流量计显示误差比较大
    (1)首先检查流量传感器系数即K值和仪表其他参数是否设置正确
    (2)客户有条件的情况下,用电子秤进行实际标定校准。





一、断电检查

  修理仪器仪表首先必须具备一定的电路基础和电子线路的理论知识,要懂得常用测试仪器的正确使用与操作方法,懂得检查仪器故障产生原因的方法,并在此基础上遵循科学的工作程序。

  (1) 认真阅读该仪器的使用说明书,了解其工作原理,看懂电路图以及各附件、备件情况。

  (2) 观察仪器仪表面板上开关旋钮、度盘、指示表等有无松动情况,保险丝是否完好。

  (3) 打开仪器仪表外壳盖板,观察其内部的元器件、电源变压器连线等有无烧焦、发霉、脱落。

  在进行断电检查的同时,不仅可以做好仪器内部的清洁工作,更重要的是可以发现各种明显的故障部位,以便更快地判断和排除故障。例如:电子管漏气时,管内有乳白色物质。电解电容器击穿变质时大部分都流出电解质或外壳有爆裂。电阻损坏时,会变黑或烧焦。二极管、三极管、稳压管击穿时外壳也会变黑、烧焦、爆裂。变压器烧坏时有烧焦的气味和痕迹。因此断电检查是做好器仪表维修工作的一个重要步骤。但是应当指出:在维修时要特别注意,不是单纯调换了损坏的器件就算了事,而应当进一步查对仪器的电路图,真正搞清楚损坏器件的部位和原因,以便分析导致损坏的真正原因。例如在SP2305型气相色谱仪维修中,当开机前由于载气没开(违反操作规程),将热导池钨丝烧断,这时就没有桥电流,认真检查就会发现热导钨丝烧断,采用这种方法,断电只用万用表就会测出故障部位,这就是我们维修中经常所能遇到的。在维修过程中,有的发现电路中元件脱焊,接触不良,都会影响电路的正常工作。所以断电检查方法是比较直观的,并且是行之有效的。

 

二、送电检查

  如果在断电检查中未能发现问题,就应采用“送电”进行检查,进一步寻找仪器故障的具体部位,以便更换造成故障的元件。为了避免仪器故障的扩大,便于重复观察,可以使用逐步加压供电方法。在送电检查时,一定要注意指示灯亮否?保险丝、变压器、整流管工作状态是否正常。如发现有异常现象,应立即关断电源,并将调压器电压调回到0V。如果看不清损坏元件,还可以再开机逐步升压观察。这样做的目的是为以下送电检查做好准备。若这时未出现各种不正常现象才可以对仪器的各部分电路带电测量。测量次序一般是:整流输入电压—稳压输出电压—各级工作电流、电压及静态工作点的电压,从中发现故障在何部位,其方法如下。

    2.1 测量电压法

  按照仪器的原理图对其各级电压点测量其相对应电压值。如果测得各处的电压与使用说明书所列的相差很大,则就是故障所在。如果所测的电压与使用说明书相差不大,则说明电路静态工作是正常的。这种方法不论在电子管、晶体管或集成电路中都是很有效的。

  2.2 简易干扰法

  这种方法特别适用于分析仪器的记录仪、数字处理仪,用小螺丝刀碰撞讯号输入端时,观察其指针有无移动。采用此方法,可以在送电情况下逐级进行,从后级逐步向前做碰撞,碰到哪一级没有反映,说明故障就在哪一级。

  2.3 注入讯号法

  使用外部的不同信号源作为检测信号,并利用本机的终端指示器表明测试的结果。即利用外部的相应讯号源从待修的仪器终端指示器的输入端开始注入,然后依次序向前级电路推移,注入测试信号到各级电路的输入端,同时观察仪器终端指示器有无反应作为确定故障存在的部位和分析故障发生的原因。依据讯号注入到哪一级,终端指示器如果无反应,故障就在哪一级。这也是比较简单的,行之有效的方法。

  2.4 示波器法

  这主要是在动态测量时采用比较多,即对于被修仪器静态测量正常,而又未找到故障部位时就应采用动态测量。利用示波器对照原理图进行逐步观测,对照有关位置的波形进行分析,也可以找到故障的确切位置。在检修自动化仪表的电子放大部分常采用此方法,那是很成功的。但这方法要求维修人员对所修理的仪器电路原理和波形变化要熟悉,而且要求熟练操作和正确地使用示波器观察各种不同变化规律的信号。

  2.5 器件替代法

  当不能确定仪器故障的大致范围时,可采用单元替代或单板替代法。注意,好不要拆动电路中的元器件,特别是精密仪器,更不允许随便拆动。可以先使用相同型号、相同规格、相同结构的器件。单元插接部件来临时替代有疑问的部分,观察其对故障的影响。如果故障消失了,就表明被替代部分有故障。这种方法特别适宜于电子管电路或印刷路线板电路、集成电路。

  2.6 逐级断开法

  有些仪器仪表的电路组成比较复杂,涉及的元器件比较多,并且互相影响或多方面有影响。有的仪器故障表现为某一级,而故障的真正部分却在下一级。例如在计数电路中,由于下一级输入阻抗对上一级的负载作用过大,停止计数。检修这一类仪器时就可以将各级由后向前分别脱离,直到发现故障为止。在运用这一方法时,一定要选择好断开点的位置,只有做到合理断开,才可迅速确定故障的部位。同时还要防止由于脱开某一部分,而使其它部位出现电压过高、过低现象。

 三、故障排除

  当被检修仪器仪表的故障部位和引起故障的原因被查出来以后,便可断电对故障进行处理。在处理过程中一定要注意:

  (1) 必须切断电源,停机停电进行处理;

  (2) 需更换元件时应该尽量与原来元件同型号,同规格的合格元件。若没有可以采用与同机相近规格的元件代替。尽量不要改动原来的电路结构,以免影响其仪器的电气性能;

  (3) 焊接场效应管或集成电路时,千万注意防止漏电和静电对元件造成的破坏作用。所以要求电烙铁要有良好接地,否则应断电焊接;

  (4) 对于电源变压器损坏需重绕时,要弄清原变压器各绕组的数据,尽量保持原来的参数。

 

金岭仪表



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