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淮安金鼎自動化儀表有限公司作者
江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
近幾年來，隨著電子技術、數(shù)字技術的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術發(fā)展很快，基于不同原理，適用于不同場合的各種型式的超聲波流量計得到了廣泛應用，同時也對廣大用戶提出如何認識超聲波流量計、怎樣選擇合適的類型，使用中應注意些什么問題等一系列問題。本文綜合國內(nèi)超聲波流量計目前的發(fā)展情況及多年應用的實踐，對上述問題進行了些探討。
1 超聲波流量計的分類
超聲波流量計的種類很多，依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計。
1.1 多譜勒式超聲波流量計
如圖1，換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；驓馀莺?，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。設流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v，即
t1=L/（c+cosθ） 所以流體流速 fd=f2-f1=（2f1sinθ）×ν/c 當管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進而求得流體流量。 1.2 時差式超聲波流量計 時差式超聲波流量計是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。 如圖2，換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號，這是順流方向，其傳播時間為 ν=（c× fd）/2f1sinθ 反之，逆流方向的傳播時間為： t2=L/（c-νcosθ） 時間差為： △t1=t2-t1=2Lνcosθ/（c2-ν2cos2θ） 由于c>>v，故 △t=2Lνcosθ/c2 （ν2cos2θ忽略不計） 所以，流體流速 ν=（c2×△t）/2Lcosθ 同樣，c、L、θ均為常數(shù)，測得時間差△t即可求出流體流速v，進而求得流體流量。 2 區(qū)別 根據(jù)超聲波流量計使用場合不同，可以分為固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計。 2.1 這兩類超聲波流量計的主要區(qū)別 （1）適用的場合不同：固定式超聲波流量計用于安裝在某一固定位置，對某一特定管道內(nèi)流體的流量進行長期不間斷的計量；便攜式超聲波流量計具有很大的機動性，主要用于對不同管道的流體流量作臨時性測量。 （2）供電方式不同：固定式超聲波流量計要求長期連續(xù)運行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計既可以使用現(xiàn)場的交流電源，也備有內(nèi)置充電電池，可以連續(xù)工作5～10h［小時］，大大方便了不同場合臨時性流量測量的需要。 （3）部分功能不同：因定式超聲波流量計，通常都有4-20mA信號輸出等功能，供遠傳顯示使用，但其內(nèi)部只能存貯一條管道的參數(shù)；便攜式超聲波流量計只是為了現(xiàn)場查看當時流量和短時間內(nèi)的累計流量，故一般無輸出信號功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時存貯數(shù)十條不同管道的參數(shù)，供隨時調出使用。 2.2 換能器供電方式不同 可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計。 （1）外貼式：外貼式超聲波流量計是生產(chǎn)zui早，用戶zui熟悉且應用zui廣泛的超聲波流量計，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現(xiàn)了超聲波流量計安裝簡單、使用方便的特點。 （2）管段式：某些管道因材質疏、導聲不良，或者銹蝕嚴重，襯里和管道內(nèi)空間有間隙等原因，導致超聲波信號衰減嚴重，用外貼式超聲波流量計無法正常測量，所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計。管段式超聲波流量計把換能器和測量管組成一體，解決了外貼式流量計在測量中的一個難題。而且測量精度也比其它超聲波流量計要高，但同時也犧牲了外貼式超聲波流量計不斷流安裝這一優(yōu)點，要求切開管道安裝換能器。 （3）插入式：插入式超聲波流量計介于上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號的發(fā)射、接受只經(jīng)過被測介質，而不經(jīng)過管壁和襯里，所以其測量不受管質和管襯材料限制。 3 超聲波流量計的選型 超聲波流量計除上述各種類型外，近年來又出現(xiàn)了采用數(shù)字化電路的數(shù)字式超聲波流量計，把換能器和轉換器做在一起的一體式超聲波流量計，等等。面對眾多類型的超聲波流量計，用戶要根據(jù)實際情況和測量需要合理選型。 3.1 多譜勒式超聲波流量計 只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆?；驓馀莸牧黧w，如工廠排放液、未處理的污水、雜志含量穩(wěn)定的工廠過程液等。要注意它對被測介質要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時雜質含量要相對穩(wěn)定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對被測廠家的要求也不一樣。選擇此類超聲波流量計即要對被測介質心中有數(shù)，也要對所選用的超聲波流量計的性能、精度和對被測介質的要求有深入的了解。 3.2 便攜式超聲波流量計 適用于臨時性測量，主要用于校對管道上已安裝其它流量儀表的運行狀態(tài)，進行一個區(qū)域內(nèi)的流體平衡測試 ，檢查管道的當時流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時，選用便攜式超聲波流量計既方便又經(jīng)濟。 3.3 時差式超聲波流量計 目前生產(chǎn)zui多、應用范圍zui廣泛的是時差式超聲波流量計。它主要用來測量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業(yè)用水領域，得到廣泛應用。此外它也可以測量雜技含量不高（雜質含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均勻流體，如污水等介質的流量，而且精度可達±1.5%。實際應用表明，選用時差式超聲波流量計，對相應流體的測量都可以達到滿意的效果。 3.4 管道式超聲波流量計 精度zui高，可達到±0.5%，而且不受管道材質、襯里的限制，適用于流量測量精度要求高的場合。但隨著管徑的增大，成本也會隨增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計，較為經(jīng)濟。 3.5 固定式超聲波流量計 如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，*消除了管襯、結垢及管壁對超聲波信號衰減的影響，測量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應用正在不斷推廣。 有的廠家推出了內(nèi)部為數(shù)字化電路的超聲波流量計，其特點是采用數(shù)字電路處理信號，糾錯能力增強，取樣及時，精度提高（模擬電路的精度為±1.5%，數(shù)字電路可以達到±1.0%），而且集成度提高，儀表體積大大減小，有多種信號輸出模式供選擇，在實際應用也取得了很好的效果。用戶在使用中可以和模擬電路的超聲波流量計進行比較。 超聲波流量計的功能選擇，用戶可以根據(jù)實際情況來確定。如果測量雙向流體，一定要選擇帶有正負計量功能的超聲波流量計；如果用戶需要定期了解流體在一定時段有流量情況，可以選擇帶打印機的超聲波流量計?？傊x擇的超聲波流量計的功能既要滿足用戶需要，也不必貪多求全，造成許多功能閉置不用，而增加購買成本。 4 超聲波流量計的應用 超聲波流量計在應用中，需要注意以下幾個方面的問題： 4.1 正確選擇 這是超聲波流量計能夠正常工作的基礎。如果選型不當，或會造成流量無法測量，或者用戶使用不做便等后果。具體選型原則，前面已做了詳細的介紹。 4.2 合理安裝 換能器安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個問題。確定位置時除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調速囂、電焊機等污染電源的場合。在安裝方式上，主要有對貼安裝方式和V方式、Z方式三種，如圖3。 多譜勒式超聲波流量計采用對貼式安裝方式，時差式超聲波流量計采用V方式和Z方式，通常情況下，管徑小于300mm時，采用V方式安裝， 管徑大于200mm時，采用Z方式安裝。對于即可以用V方式安裝又可以方式安裝的換能器，盡量選用Z方式。實踐表明，Z方式安裝的換能器超聲波信號強度高，測量的穩(wěn)定性也好。 4.3 及時核校 對于現(xiàn)場安裝固定式超聲波流量計數(shù)量大、范圍廣的用戶，可以配備一臺同類型的便攜式超聲波流量計，用于核?，F(xiàn)場儀表的情況。一是堅持一裝一校，即對每一臺新裝超聲波流量計在安裝調試時進行核校，確保選位好、安裝好、測量準；二是對在線運行的超聲波流量計發(fā)生流量突變時，要利用便攜式超聲波流量計進行及時核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實發(fā)生了變化。 4.4 定期維護 與其他流量儀表相比，超聲波流量計的維護量是比較小的。對于外貼換能器超聲波流量計，安裝以后無水壓損失，無潛在漏水，只需定期檢查換能器是否松動，與管道之間的粘合劑是否良好即可；插入式超聲波流量計，要定期清理探頭上沉積的雜質、水垢等有無漏水現(xiàn)象；如果是一體式超聲波流量計，要檢查流量計與管道之間的法蘭鏈接是否良好，并考慮現(xiàn)場溫度和濕度對其電子部件的影響，等待。定期維護可以確保超聲波流量計的長期穩(wěn)定運行。 4.5 故障排除 超聲波流量計常見的故障原因及排除故障的方法如表：表1 故障分析表 3 結束語 目前，超聲波流量計的各類很多，應用也很廣泛，在流量測量方面發(fā)揮著越來越重要的作用，而且其技術更新很快，不斷有新型的超聲波流量計推向市場，走向用戶。只有把握超聲波流量計的發(fā)方向，才能更好的了解它，應用它，便它更好的服務于生產(chǎn)和計量工作。
故障現(xiàn)象 故障原因 排除方法 無信號 換能器與主機之間聯(lián)線斷開 重新連接 信號強度不夠 1.出現(xiàn)的電源污染 凈化電源 2.換能器位置移動 重新調整換能囂位置 瞬時流量穩(wěn)定，0但比實際值偏大 換能器聲楔出現(xiàn)故障 更換換能器 瞬時流量波動大 1.流體受到干擾，流態(tài)不穩(wěn) 更換換能器位置 2.主機阻尼系數(shù)設置太小 增大陰尼系數(shù) 瞬時與累計流量不一致 主機出現(xiàn)故障 更換主機
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