非接触式超声波流量计具有很多优点:精度高；测量范围大；测量结果不受导电率、压力、温度及粘度的影响，无需破坏管道在线安装.

    非接触式超声流量计具有优于其它型式仪表的特点。现在其测量准确度和重复性也有了提高。它的压电式传感器可装在管道内,也可装在管道外。相对传播式仪表通过测量上下游超声波脉冲的传播时间求得流速、流率、总流量等。它更适用于洁净液体,测量准确度和重复性好,但价格较高。多普勒式仪表通过测量超声信号频率的变化求得流速、流率、总流量等。它更适用于污秽液体,价格较低。目前厂家正致力于提高相对传播式仪表对污秽液体的测量准确度和多普勒式仪表对洁净液体的测量准确度。

      以前人们对非接触式超声流量计抱怀疑态度,现在普遍予以认可。原因是仪表的内部装有能够提高测量准确度和改善重复性的电子设备。对于电厂来说非接触式测量是人们所希望的。

      超声流量计在电厂中愈来愈具有吸引力,和其它型式的仪表相比,它具有下述一些优点:(1)测量元件不需穿透管壁,这样在管内就不会产生压降;(2‘)测量范围广;(3)比其它型式的流量表,初投资和维修费用都较低,由于是非接触测量,所以对电厂具有很大的吸引力,因为安装和维修流量表时不需停机。下面简述一下它的工作原理。

       超声流量计采用压电式传感器。传感器的整体安装在管道内(图1,浸入式仪表),或者管道外面(夹持式或搭接式仪表),附带的电子设备对超声信号进行处理以测量流速、流率、和/或总流量(图2),有时利用测量仪表和密度分析器一起求得质量流量。现有两种主要型式的仪表,即相对传播式和多普勒式,如下所述: 相对传播式仪表,也叫作传播时间式或脉冲式仪表。它测量出上下游超声波脉冲的传播时间,超声波是由一对或几对传感器发出的。传感器的安装位置可以与流体通路有一个倾斜角,也可以平行安装(即安装在同一侧,此时声波从对侧管壁上反射出去)。根据不同的传感器和管子的外形结构,电子设备将测量数据转换成相应的流率和总的体积流量。有时,对于较大的管子选择各种不同频率的传感器或者多通道结构的传感器。

      如图1所示,在管子内装有一对传感器,某个传感器发出的脉冲送到另一个传感器。也就是说,每个传感器既是一个发送器又是一个接受器。具有短脉冲的传感器B接收测出的横穿管道的两个超声波的时间差,一个超声波是顺着流体流动方向,另一个是逆着流休。管道内声波的平均速度表示如下:

tA、tB一一两个超声波的穿越时间 微处理器控制着传感器的工作,完成所需的计算。在值班人员操作台上显示出结果,打印出流量数据,并且接受所要求的键盘输入。

由于流量计所测的平均通度不是实际流速,所以需要根据流体灼比重、成份和雷诺数川电子设备进行修正。

    多普勒效应失真信号的幅度也降低,所以就需要一个高灵敏的多普勒式仪表以便检测低于1英尺/秒时的液体流速。低于。.5英尺/秒流速时不推荐采用该型仪表。传感器B 图1浸入式仪表,传感器位于含 有流休的管道内 多普勒式流量计测量出射入流休超声信号频率的变化,造成流动液体非连续性的涡流、夹带的固体物质或气体将把声波反射回接收传感器(图3)。反射物体的相对运动势必把声波压缩成为较短波长的声波,即较高频率的声波。用电子设备将接收传感器所测得的较高频率与传送的信号相比较就会得到频差,即频率的变化。频差与管道流速成正比。

      虽然目前的研究工作旨在测量洁净的液体,但是多普勒流量计也可测量泥浆、废水和其它含有悬浮物的污秽液体的流速,在没有足够含量的固体颗粒时,相当量的空气气泡或其它气泡也会给出精确的读数。

      典型的传输频率大约是o.6MHZ。因为它们的波长较短,所以从理论上讲,对于较高的传输频率,小颗粒物质的反射率也较强。因此,对于洁净液体它是一个合理的方 案。实际_L,较高的频率对于液流中的不规 则的扰动也是灵敏的。

      为了得到精确的流量数据,测量洁净液 体的多普勒式测量装置需要特殊的分析、滤 波和处理电路(测量污秽液体的多普勒式仪 表不要求这个特殊的电路)。由于流速降低图2用于流量测量的处理超声 信号的电子设备流动方向反射体图3测量射入超声信号的多普勒 流量计.

    相对传播式仪表的最大的缺点是在流体通道上夹带有颗粒物质时工作比较困难。虽然它也容许液体中有一定数量的反射物休,但当达到某种程度时,散射和衰减将引起仪表产生误差。对此,选择多普勒式仪表较为 合适,但是它也有些局限性。 多普勒技术所存在的问题是:夹带的 固体颗粒不会在同一时间以相同的速度沿着 同一的方向运动。重力可能引起某些颗粒上 升,其它的颗粒下降。而且,局部的扰动还 会周期性地破坏液体的流动。夹带固体颗粒 的总体以平均速度移动,有时难以确定测得 的数值就是真正的平均速度。对于首批投入 市场的仪表有些用户还是抱有某种怀疑态 度。

    目前,制造厂家采用复杂的信号分析技 术以消除多普勒仪表测量中的不定因素。某 制造厂家根据快速富里哀传递技术来分析反 射频谱,并且把来自夹带颗粒的回声与泵噪 声,管道振动噪声和其它虚假噪声区分开 来。其它的制造厂家则采用数字滤波技术将 不需要的杂散频率区分开,并且保留只与流 量有关的多普勒频率。最近的一个设计方案 还包括噪声抑制电路,该电路能够将多普勒 信号与叠加信号区分开,这样准确度可达到 实际标定的满量程流量范围的土2%。 有趣的是,当专门研究相对传播式仪表 的制造厂家致力于提高污秽液体的测量准确 度时,多普勒式仪表制造厂家正致力于使其 仪表能够应用于测量洁净的液体。对于后 者,提高运行频率是一条途径。频率愈高,波 长也就愈短,洁净液体中微小颗粒的反射率 愈强。可是,较短的波长也能对涡流及其它 扰动现象进行较强的反射。

    提高多普勒式仪表传输信号的功率是另 外一个解决问题的方案。这样增加了反射物 体的反射能力,提高了信号噪声比,并且改女进了整个测量装置的性能。遗憾的是,较高 的功率和洁净的液体还意味着信号能够沿着 管道进行相当大的距离。结果是反射波可能 来自预料不到的地方,因而使读数产生误 差。 当液体是特别洁净或者是特另lJ脏时,选用相对传播式系统还是多普勒式系统是很明显的。但是出现交叉情况时,这两种测量系统的选择就不再需要严格地按照流体声音的纯净度来决定了。此外,选择哪一种测量东统还要考虑性能与价格比。

   多普勒系统是比较便宜的,对于多数情况,它们的测量准确度是足够的,但当要求很高的准确度和重复性很好时,相对传播式的测量仪表则是一个比较理想的方案。多普勒系统遇到流速约为0.5英尺/秒,而流率接近零时它仍可得到有效的读数。 由于夹持式超声流量计是搭接在管道的外面,所以不论管道的尺寸如何,共投资是一样的。但对于大直径管道,由于要装一系列仪表,投资会有很大增加。

    对于浸入式超声仪表也是如此。当它们需要维修时,可不中断装置的运行。 虽然浸入式仪表可能在管道内产生不可预计的干扰,这些仪表的准确度比起夹持式仪表来仍然要高。管壁厚度、内径和传感器的位置对于夹持式仪表来说都是一些内在的不定因素。还有,对于浸入式仪表制造厂家要比较严格地控制可能会影响准确度和响应时间的传感器的频率及通过液体的声程。 管道内每一点的流体速度是不同的,体积流量也不一样。超声流量测量灼混乱郭是不正确选用这两个参数所致。 速度乘以管道的横断面就可以得到体积流量,即英尺/秒x英尺“x449=加仑/分。

    从管道外径和壁厚等参数,测量仪表就可以自动地计算出体积流量。利用游标卡尺测量管道外径,用超声壁厚仪测量管道壁厚,两者之差就是管道的内径。 超声流量计就像其它所有型式的流量计一样必须测量管道内的平均流量。怎样才能工作得最好呢?当管道为满量程流量时,超声波流量计的计量最为正确。关键就是确定好传感器的位置,以便在此位置的声束通道上能够取出真正的流量信号。其它的通道只代表断面的部分情况而不是平均状态。还有,特定的局部地区的节流改变了管道内的频率,导致读数发生很大误差。 假如管道有一个弯曲段,则管道一侧的流量大于另一侧。为了获得一个有代表性的取样,传感器可置于管道的相对两侧。这样声束穿过高低流量区。如果在几个平面上的流束受到扭曲,则有必要采用一个多路系统方案。此方案是4个声束取出不同平面液流的流动特性,从而得到有效的平均流速。

    自声束中搜集到的数据由测量表计的电子设备自动地进行处理。 很明显,由于直管段的流速比较均匀,所以装在直管段最为有利。制造厂家通常是基于流量计安装在直管段上而规定其准确度的。例如,上游要有10倍管道直径的直管段,下游要有3倍管道直径的直管段。 对于夹持式仪表,一个单通道的相对传播式流量传感器可装在管道上好几个地方。观察流量读数可知对于不同的位置,其基本相同。当在某个特定的位置上求得平均流速后,仪表就可永久地固定下采。 开式沟道的流量测量:对于开式沟道的流量测量主要采用超声波技术。

    典型的超声波流量计是测量通过水槽和越过堰的流率,超声波流量计产生两个输出信号,一个是对应于流率的4、20。人直流信号,另一个是与总流量成比例的脉冲信号。为了检测通过水槽或堰的流体的液位,流量传感器发射一个超声波束,并且接收液流面的回声。然后由仪表自动地将液位转换成流率。 传感器包含有微机和测量压头的电子电路、流量计算电路和经过装在麦克风内的参考反射体后空气温度、密度、湿度等发生变化的补偿装置。麦克风用同轴电缆与传感器相连接。数字式旋转开关用来选择压头的测量范围、零点、输出脉冲的计数,以及堰或水槽的型式。

   气体流量的测量:超声波流量计大多数是用于测量液体流量,而自七十年代中期以来相对传播式超声仪表才用来测量天然气管道的流量。对于采用各种非超声波方法测量流量的场合,当遇到大型管道和大的调比时改用超声波方法则价钱较为便宜。量准确度和多普勒式仪表对洁净液体的测量准确度。

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