超声波流量计测量原理及实际应用修正研究

梁黎黎 (安徽建筑工业学院数理系,安徽合肥230001)

1 多普勒式超声波流量计原理

图1 多普勒式示意图

图2 多普勒式原理图

图1是多普勒式超声波流量计的原理示意图 (用的发射器和接收器为同一个点,根据安装方法的不同,发射器、接收器也可以相对位置改变)。含杂质的流体以u速度沿管道流动,流体主要为液体,超声波在流体中速度用v表示,超声波发射探头和接收探头同为一个压电换能器,超声波的发射方向v与流体速度u方向夹角用θ表示 (图2),超声波在流体中的传播速度由流体介质的特性决定,随着流体的温度或成分的改变,超声波的传播速度有所变化,但相对u的大小都是很大的,可以认为|v|≫|u|,超声波在流体内传播的过程中,会与流体中的杂质相遇,杂质与流体之间有界面存在,对超声波形成反射,压电换能器会接受部分反射波,换能器可以把声波转换成电信号,通过对发射波与反射波频率的对比,可以得出流体的流速,从而得出流量。

超声波发射的频率用 f1表示,在超声波传播速度v方向有速度分量ucosθ,可以理解为杂质以ucosθ速度相对波源在波速方向上运动,利用多普勒方程杂质接收到的超声波频率f2为:

接收器接收到的杂质反射的超声波的频率f3为:

发射器、接收器的频率差为:

由|v|≫|u|得压电换能器探头接收波与发射波的频率差Δf:

从而得流体速度:

流量方程为:

式中,S表示管道横截面积;Q表示流量结果。

式 (1)～(6)分析的为含杂质的满管流体的流量问题,现实中可能出现流体只有管道的一部分,可以另外用超声波测出流体高度,进一步修正流量,后面再进一步讨论。

2 时差式超声波流量计原理

时差式超声波流量计是利用2台压电换能器相互向对方发射超声波,对方接收并记录时间差,由于声波在流体中顺流传播和逆流传播的速度不同,时间差可以准确反映流体速度,从而推算出流量。这种方法多用于纯净液体或气体的测量。图3为时差式流量计示意图。

图3 时差式流量计示意图

换能器1向换能器2发射超声波信号,这是顺流方向,其传播用时间t1为:

反之,逆流方向的传播时间t2为:

时间差为:

由于v≫u,所以流速:

进而求得流体流量:

3 实际应用中的修正

上面分析的是理想状态的管道流量,实际应用中常出现管道不满、流速不均、杂质成分复杂多变的情况,上面的分析要加以修正,下面从管道内介质不满、流速不均2方面加以讨论。

1)管道内介质不满 对于管道内介质不满的情况,可以增加一组超声波深度探测仪解决,如图4所示,主要用于修正管道流量的横截面大小。这种安装方法对于较单一的流体有用,如果流体杂质较多,可以采用将超声波深度探测仪放置于管道上方,测量管道中空气层的厚度,推算出流体的厚度从而得出流体横截面积。

2)管道内流速不均 对于粘滞系数较大的流体,会出现管道内流速不均的现象,可以采用多组超声波流量计测量的方法,分别测出ds面内流速,从而推算出整个管道的流量,如图5所示。

图4 对流体非满充状态下的修正示意图

图5 多路超声波流量计同时测量

4 安装方法

按超声波流量计的测量监测时间长短分为固定式和便携式,2种对信号的采集传输、电源的要求、安装方式上有所不同,主要根据对管道流量的测量要求而定。固定式适合长期监测跟踪某固定点的流量,要求电源稳定,对采集的信号要有存储、传输的能力;便携式一般电池供电就可以了,信号采集通常人工完成,对信号存储、传输能力要求不高。从安装方法上分为:外贴式、插入式。外贴式方便灵活,但有时粘贴不牢有空气缝隙存在,产生误差;插入式安装可靠但安装方法上要求在管道上钻孔,或断管处理,安装比较繁琐但安装后一般可靠性较好。从安装位置上分为对贴方式、V式、Z式,如图6所示。

图6 流量计探头安装位置示意图

对贴式中发射波的传输方向的改变,是由流体内杂质反射带来的,所以对贴式多适用于含杂质的流体,对贴式、V式适合多普勒型的流量仪,V式、Z式多用在密度均匀的流体中,适合时差式流量仪。从信号的强度损耗来看,对贴式和V式超声波在流体中传播路径较长,损耗大,这2种适合管径较小 (∅≤0.2m)的管道,对大管径的管道 (∅＞0.2m)一般以Z方式居多,这种方式信号能量损耗小、强度高,稳定性相对较高。

安装之后对每一台新装超声波流量计要及时进行核校,做到选位准确、安装牢固、测量可靠;对在线运行的超声波流量计发生流量突变时,要同时采集位置前后的流量计的数据,分析数据变化,判断是管道流量的变化引起的还是流量计故障引起数据突变,对流量计故障要及时排查。

超声波流量计的维护量与其他流量仪表相比,是比较小的。对于外贴换能器超声波流量计,安装正常后无液体压力损失,无潜在漏液,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;对插入式超声波流量计,要定期清理探头上沉积的杂质、漏液现象;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。定期维护可以确保超声波流量计的长期稳定运行。

5 结 语

随着现代工业的高速发展,超声波流量计也在多个领域有了越来越多的发展,超声波流量计具有高精确度和低成本,不论是从技术上还是从经济上看,超声波测量仪器都是流量测量的理想选择。通过多通道和数字信号处理,超声波测量仪可以实现很高的测量精确度,其高灵敏度使其可以检测到管道中的任何泄漏。

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