摘要：超聲波流量計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展和它具有的優(yōu)點(diǎn)，使得它的應(yīng)用非常廣泛。在一聯(lián)合常減壓裝置有九臺(tái)被應(yīng)用，占據(jù)很重要的位置。文章通過(guò)對(duì)多普勒式和時(shí)差式超聲波流量計(jì)測(cè)量原理的詳細(xì)介紹，結(jié)合裝置在用超聲波流量計(jì)出現(xiàn)的故障，進(jìn)行分析與判斷處理。zui后，給出就超聲波流量計(jì)在安裝與維護(hù)方面的見(jiàn)解。
　　
　　關(guān)鍵字：超聲波流量計(jì) 多普勒式 時(shí)差式 耦合劑
　　
　　超聲波流量計(jì)是一種利用超聲波脈沖來(lái)測(cè)量流體流量的速度式流量?jī)x表，它從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)入我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量領(lǐng)域，并在90年代得到迅速發(fā)展。近幾年來(lái)，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，使得超聲波流量計(jì)的技術(shù)不斷發(fā)展，基于不同原理、不同結(jié)構(gòu)，適用于不同場(chǎng)合的各種類(lèi)型超聲波流量計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，尤其在測(cè)量某些特殊介質(zhì)流體時(shí)，因其具有運(yùn)行穩(wěn)定、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，深受廣大用戶的青睞，所以在國(guó)內(nèi)外的石油、化工、冶金、自來(lái)水、礦山、造紙、鋼鐵等工礦企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在一聯(lián)合常減壓裝置有九臺(tái)被應(yīng)用，占據(jù)很重要的位置。
　　
　　1超聲波流量計(jì)的分類(lèi)
　　
　　超聲波流量計(jì)是一種利用流體流動(dòng)對(duì)超聲波束在流體中傳播速度的改變來(lái)測(cè)量滿管流體體積的儀表。按照不同的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)、供電方式和使用場(chǎng)合分類(lèi)，有如下幾種形式。
　　
　　根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)原理的不同可分為多種，主要有時(shí)差式、多普勒式和聲束偏移式流量計(jì)。聲束偏移式流量計(jì)是利用超聲波在流體中傳播時(shí)，因流體流動(dòng)而產(chǎn)生的偏移程度來(lái)反映流速或流量值。
　　
　　根據(jù)超聲換能器的配置方式的不同，可以分為單聲道、雙聲道和多聲道三種形式流量計(jì)。雙聲道換能器能發(fā)射兩個(gè)不同頻率的獨(dú)立超聲波信號(hào)，兩種頻率用于自動(dòng)識(shí)別和消除諸如有不穩(wěn)定的頻率激勵(lì)而產(chǎn)生的噪聲干擾，從而大大提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。
　　
　　根據(jù)換能器的供電方式不同，可以分為外帖式、管段式和插入式三種。管段式超聲波流量計(jì)把換能器和測(cè)量管組成一體，解決了管道因材質(zhì)疏松內(nèi)壁積垢等原因，導(dǎo)致超聲波信號(hào)嚴(yán)重衰減的難題，同時(shí)提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。插入式超聲波流量計(jì)可以在不斷流的情況下，利用專(zhuān)用工具在管道上打孔，將換能器插入管道內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。由于換能器直接在管道內(nèi)發(fā)射和接收信號(hào)，其信號(hào)只經(jīng)過(guò)被測(cè)介質(zhì)，而不經(jīng)過(guò)管壁和襯里，所以流量測(cè)量不受管壁和襯里材質(zhì)的影響。
　　
　　根據(jù)超聲波流量計(jì)的使用場(chǎng)合不同，可分為固定式和便捷式兩種形式。固定式超聲波流量計(jì)安裝在管道固定位置上長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，通常有4~20mA信號(hào)輸出，供遠(yuǎn)傳顯示、控制使用。便捷式流量計(jì)主要用于對(duì)不同口徑、材質(zhì)的管道內(nèi)流體流量作臨時(shí)性測(cè)量，就地顯示或存儲(chǔ)流量信息。
　　
　　2超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理
　　
　　2.1多普勒式超聲波流量計(jì)
　　
　　內(nèi)容多普勒式超聲波流量計(jì)是利用多普勒效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量立體的流量。
　　
　　如圖1所示，換能器A發(fā)射頻率為fA的超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)管道內(nèi)流體中的懸浮顆?；驓馀莺?，頻率發(fā)生偏移，以fB的頻率反射到換能器B，著就是多普勒效應(yīng)，fA與fB之差即為多普勒頻差fd。
　　
　　設(shè)流體的平均流速為vm，超聲波聲速為C，多普勒頻移fd正比于流體平均流速vm，即　　所以流體流速　　當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定后，C、fA、θ即為常數(shù)，流體平均流速和多普勒頻移成正比，通過(guò)測(cè)量頻移就可以得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。　　圖1多普勒式超聲波流量計(jì)測(cè)量原理
　　
　　2.2時(shí)差式超聲波流量計(jì)
　　
　　內(nèi)容當(dāng)超聲波在流體中傳播時(shí)，探頭A發(fā)射的超聲波脈沖被探頭B接收，同時(shí)探頭B也發(fā)射超聲波脈沖，被探頭A接收，于是同一傳播距離就產(chǎn)生順流和逆流傳播的時(shí)間差，時(shí)差式超聲波流量計(jì)就是利用超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理求得流速，進(jìn)而求得流量。
　　
　　如圖2所示，超聲波換能器A和B安裝于測(cè)量管道的外側(cè)，組成一個(gè)測(cè)量聲道，兩個(gè)換能器之間的距離為L(zhǎng)，測(cè)量聲道A和B與測(cè)量管道中心軸線形成夾角θ，超聲波在被測(cè)流體中聲波傳播速度為C。
　　
　　由換能器A向換能器B發(fā)送超聲波信號(hào)，這是順流方向，其傳播時(shí)間為：　　式中，C、L、θ均為常數(shù)，測(cè)得時(shí)間差Δt即可求得流體平均流速vm，再乘以管道截面積就可算出流體的體積流量。　　3超聲波流量計(jì)在裝置上的使用及所出現(xiàn)的故障
　　
　　目前一聯(lián)合常減壓裝置共使用了九臺(tái)超聲波流量計(jì)：
　　
　　FIC115測(cè)量去電精制常一線油流量；
　　
　　FI134測(cè)量去電精制常一線油流量；
　　
　　FI135測(cè)量常壓蒸餾塔底油流量；
　　
　　FI137測(cè)量常壓一中回塔頂油流量；
　　
　　FC1209測(cè)量去電脫鹽一路油流量；
　　
　　FC1209A測(cè)量去電脫鹽二路油流量；
　　
　　FC1210測(cè)量去電脫鹽三路油流量；
　　
　　FC1214A測(cè)量減壓蒸餾塔一線油流量；
　　
　　FC1214B測(cè)量減壓蒸餾塔二線油流量。
　　
　　本裝置使用的超聲波流量計(jì)測(cè)量的流體都是液體（原油），且流體相對(duì)比較清潔，密度較小，在0.6~0.9粘度也比較小。流量計(jì)利用的都是時(shí)差式測(cè)量原理。其中FIC115經(jīng)常出現(xiàn)的故障現(xiàn)象是：有時(shí)波動(dòng)比較大，過(guò)一段時(shí)間自動(dòng)恢復(fù)正常。FI1209A出現(xiàn)的故障為：測(cè)量值很小，長(zhǎng)期偏離實(shí)際值，且測(cè)量值幾乎不變化。
　　
　　4超聲波流量計(jì)的故障分析判斷及處理
　　
　　針對(duì)超聲波流量計(jì)FIC115出現(xiàn)的故障，去現(xiàn)場(chǎng)查看，沒(méi)有報(bào)警顯示信息，查看聲速設(shè)定值為800，與設(shè)計(jì)值一樣，再查看超聲波信號(hào)強(qiáng)度為58.6，也正常，檢查信號(hào)線與電源線沒(méi)有發(fā)現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。平時(shí)測(cè)量正常，有時(shí)出現(xiàn)短時(shí)間的大幅度波動(dòng)，可能是超聲波流量計(jì)的核心處理器系統(tǒng)短時(shí)間故障，處理不過(guò)來(lái)，這種可能性比較??；很有可能是工藝原因，管道內(nèi)的原油短時(shí)間出現(xiàn)不滿管的現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)氣液兩相的情況，使得超聲波的傳播速度發(fā)生變化，測(cè)量出現(xiàn)大幅度波動(dòng)；還有可能是管道內(nèi)有固體顆粒、結(jié)垢或管道被腐蝕。仔細(xì)察看，發(fā)現(xiàn)換能器安裝在管道的zui高處，這樣就很容易出現(xiàn)管道內(nèi)斷流現(xiàn)象，因?yàn)橹灰嫌嗡查g出現(xiàn)斷流，就必然會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器處斷流發(fā)生，如果把換能器安裝在zui高處的下端，上游瞬間出現(xiàn)斷流，其換能器處位置相對(duì)較低，由于重力作用，不會(huì)馬上出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。所以FIC115應(yīng)該是換能器安裝位置太高，只要將其位置移至較低的地方，目前的故障就會(huì)解決。
　　
　　對(duì)于FI1209A出現(xiàn)的故障，查看聲速設(shè)定值為900，與設(shè)計(jì)值一樣，再查看超聲波信號(hào)強(qiáng)度為38.7，與其他幾臺(tái)超聲波流量計(jì)相比偏低，其他幾臺(tái)均在60左右，于是就將耦合劑加到換能器的變送器與襯里之間，加強(qiáng)超聲波信號(hào)的接收，提高超聲波的信號(hào)強(qiáng)度。由于現(xiàn)場(chǎng)安裝條件的限制，換能器的另一端拆不下來(lái)，緊帖著換熱器的保溫壁，于是只加了其中一個(gè)換能器的耦合劑，其超聲波強(qiáng)度提高到42.4，還是沒(méi)有消除故障。是不是介質(zhì)密度發(fā)生了變化，于是就將原來(lái)的介質(zhì)密度設(shè)定值改變，經(jīng)過(guò)數(shù)次的改變，發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果還是不正確。檢查現(xiàn)場(chǎng)換能器的安裝情況，沒(méi)有松動(dòng)現(xiàn)象，儀表接線正常。懷疑是超聲波流量計(jì)的核心處理器電路板有故障，于是就將超聲波流量計(jì)FI1209A的兩根信號(hào)線拆下接到旁邊的超聲波流量計(jì)FI1209上，其指示值與FI1209幾乎一樣，所以超聲波流量計(jì)的電路板是好的。廠家，說(shuō)是超聲波信號(hào)強(qiáng)度不能低于45，原來(lái)就是耦合劑干涸，影響了換能器對(duì)超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收，導(dǎo)致超聲波信號(hào)強(qiáng)度不夠，所以測(cè)量不能正常進(jìn)行。
　　
　　5結(jié)束語(yǔ)
　　
　　通過(guò)對(duì)超聲波流量計(jì)原理的進(jìn)一步了解與現(xiàn)場(chǎng)超聲波流量計(jì)故障分析與判斷，得出自己的一些見(jiàn)解，換能器安裝不合理是超聲波流量計(jì)不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮方式的選擇和位置的確定兩個(gè)問(wèn)題。在安裝方式上，時(shí)差式超聲波流量計(jì)的換能器主要有W型、V型、Z型與X型四種。根據(jù)不同的管徑和流體特性來(lái)選擇安裝方式，通常W型適用于小管徑（25～75mm），V型適用于中管徑（25～250mm），Z型適用于大管徑（250mm以上），X型適用于中管徑（25～250mm）測(cè)量度要求高的場(chǎng)合。總之，為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和靈敏度，選擇合適的安裝方式，使得測(cè)量信號(hào)（即差值）與二次儀表相匹配。目前除FI137用了V型安裝（管徑75mm），其余均采用Z型安裝。為了保證儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度，應(yīng)選擇滿足一定條件的場(chǎng)所定位：通常選擇上游10D、下游5D以上直管段；上游30D內(nèi)不能裝泵、閥等擾動(dòng)設(shè)備。尤其要注意換能器盡量避開(kāi)有變頻調(diào)速器、電焊機(jī)等污染電源的場(chǎng)合。換能器也不要安裝在管道zui高處，以保證管道內(nèi)流體滿管。換能器安裝位置應(yīng)該留有適當(dāng)?shù)目臻g，便于維修或添加耦合劑時(shí)的拆裝。在維護(hù)方面：定期檢查信號(hào)及電源線，定期加耦合劑，保證超聲波信號(hào)發(fā)射與接收強(qiáng)度。另外，建議配一便捷式超聲波流量計(jì)，便于在由于工藝方面原因引起的故障的判斷與處理。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　
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