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超聲波流量計(jì)的測(cè)流原理及其應(yīng)用 流量計(jì)技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間:2020-07-29    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
摘要:本文闡述了超聲波流量計(jì)常用的時(shí)差法、多普勒法的測(cè)流原理,以及超聲波流量計(jì)的分類。通過實(shí)際測(cè)流應(yīng)用并與流速儀所測(cè)的流量結(jié)果做了對(duì)比分析,得出超聲波流量計(jì)無論在測(cè)流準(zhǔn)確度還是在測(cè)流精度上都比其它的測(cè)流設(shè)備高,而且具有其它測(cè)流設(shè)備所不具備的實(shí)時(shí)在線和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的優(yōu)越性能。
關(guān)鍵詞:超聲波流量計(jì);時(shí)差法;多普勒;測(cè)流

1引言

近幾年來,隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展,利用超聲波脈沖測(cè)量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快?;诓煌?,適用于不同場(chǎng)合的各種形式的超聲波流量計(jì)已相繼出現(xiàn),其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到工農(nóng)業(yè)、水利、水電等部門,正日趨成為測(cè)流工作的工具。

2超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)常用的測(cè)量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時(shí)差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測(cè)量超聲波脈沖順?biāo)骱湍嫠鲿r(shí)速度之差來反映流體的流速,從而測(cè)出流量;多普勒法的基本原理則是應(yīng)用聲波中的多普勒效應(yīng)測(cè)得順?biāo)骱湍嫠鞯念l差來反映流體的流速從而得出流量。

2.1時(shí)差法測(cè)量原理

時(shí)差法測(cè)量流體流量的原理如圖1所示。它利用聲波在流體中傳播時(shí)因流體流動(dòng)方向不同而傳播速度不同的特點(diǎn),測(cè)量它的順流傳播時(shí)間t1和逆流傳播時(shí)間t2的差值,從而計(jì)算流體流動(dòng)的速度和流量。


圖1超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖

設(shè)靜止流體中聲速為c,流體流動(dòng)速度為v,把一組換能器P1、P2與管渠軸線安裝成θ角,換能器的距離為L(zhǎng)。從P1到P2順流發(fā)射時(shí),聲波傳播時(shí)間t1為:

從P2到P1逆流發(fā)射時(shí),聲波的傳播時(shí)間t2為:

一般c>>v,則時(shí)差為:

單聲道測(cè)試系統(tǒng)只適用于小型渠道水位和流速變化不大的場(chǎng)合。大型渠道水面寬、水深大,其流速縱橫變化也較大,須采用多聲道超聲波測(cè)流才能獲得準(zhǔn)確的流量值,見圖2。應(yīng)用公式(5)、(6)可測(cè)得流量Q。

以上各式中:d為垂直于水流方向上兩換能器之間水平投影的距離,為聲道數(shù),S為兩聲道之間的過水?dāng)嗝婷娣e。


圖2多聲道超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖

2.2多普勒法測(cè)量原理

多普勒法測(cè)量原理,是依據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng),檢測(cè)其多普勒頻率差。超聲波發(fā)生器為一固定聲源,隨流體以同速度運(yùn)動(dòng)的固體顆粒與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng),該固體顆粒可把入射的超聲波反射回接收器。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。由于這個(gè)頻率差正比于流體流速,所以通過測(cè)量頻率差就可以求得流速,進(jìn)而可以得到流體流量,如圖3。


圖3多普勒超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖

當(dāng)隨流體以速度v運(yùn)動(dòng)的顆粒流向聲波發(fā)生器時(shí),顆粒接收到的聲波頻率f1為:

因此,聲波接收器和發(fā)生器間的多普勒頻移Δf為:

以上各式中:θ為聲波方向與流體流速v之間的夾角,f0為聲源的初始聲波頻率,c為聲源在介質(zhì)中的傳播速度。若c>>vcosθ則

式(11)、(12)是按單個(gè)顆??紤]時(shí),測(cè)得的流體流速和流量。但對(duì)于實(shí)際含有大量粒群的水流,則應(yīng)對(duì)所有頻移信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。超聲波多普勒流量計(jì)的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu),見圖4。換能器接收到的反射信號(hào)只能是發(fā)生器和接收器的兩個(gè)指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)顆粒的反射波,這個(gè)重疊區(qū)域稱為多普勒信號(hào)的信息窗。換能器所收到的信號(hào)就是由信息窗中所有流動(dòng)懸浮顆粒的反射波的疊加,即信息窗內(nèi)多普勒頻移為反射波疊加的平均值。

平均多普勒頻移Δ-f可以表示為:

式中Δ-f——信息窗內(nèi)所有反射粒子的多普勒頻移的平均值;
ΣNi——產(chǎn)生多普勒頻移Δfi的粒子數(shù);
Δfi——任一個(gè)懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移。

由上可知,該流量計(jì)測(cè)得的多普勒頻移信號(hào)僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度,因此要求信息窗應(yīng)位于管渠內(nèi)接近平均流速的部位,才能使其測(cè)量值反映管渠內(nèi)流體的平均流速。


圖4多普勒信息窗示意圖

3超聲波流量計(jì)的分類

3.1根據(jù)超聲波聲道結(jié)構(gòu)類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計(jì)

單聲道超聲波流量計(jì)是在被測(cè)管道或渠道上安裝一對(duì)換能器構(gòu)成一個(gè)超聲波通道,應(yīng)用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便,但這種流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)性差,測(cè)量精度不易控制,一般用于中小口徑管道和對(duì)測(cè)量精度要求不高的渠道。多聲道超聲波是在被測(cè)管道或渠道上安裝多對(duì)超聲波換能器構(gòu)成多個(gè)超聲波通道,綜合各聲道測(cè)量結(jié)果求出流量。與單聲道超聲波流量計(jì)相比,多聲道流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)能力強(qiáng),測(cè)量精度高,可用于大口徑管道和流態(tài)分布復(fù)雜的管渠。

3.2根據(jù)超聲波流量計(jì)適用的流道不同可分為管道流量計(jì)、管渠流量計(jì)和河流流量計(jì)

管道流量計(jì)一般是指用于有壓管道的流量計(jì),其中也包括有壓的各種形狀斷面的涵洞,這種流量計(jì)一般是通過一個(gè)或多個(gè)聲道測(cè)量流體中的流速,然后求得流量。用于管渠的超聲波流量計(jì)除了要具有測(cè)流速的換能器以外,還需要有測(cè)水位的換能器,根據(jù)測(cè)得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量計(jì)一般含有多個(gè)測(cè)速換能器(由聲道數(shù)決定)和一個(gè)測(cè)水位換能器。多數(shù)河流超聲波流量計(jì)僅測(cè)流速和水位,而河流的過水流量由用戶根據(jù)河床斷面進(jìn)行計(jì)算。

4應(yīng)用研究

結(jié)合國(guó)家大型灌區(qū)信息化建設(shè)的研究?jī)?nèi)容,作者在昌樂縣高崖水庫灌區(qū)的北干渠上布設(shè)了4處監(jiān)測(cè)站:其中徐家廟監(jiān)測(cè)站渠底寬7.0m,水深1.0~2.0m,采用5聲道明渠超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè),見圖5。山秦監(jiān)測(cè)站將一段明渠改造為有壓管道輸水,管徑是1.4m,采用單聲道管道超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè),見圖6。在日照水庫灌區(qū)總干渠上布設(shè)了6個(gè)測(cè)站,其中石咀監(jiān)測(cè)站渠寬4m,水深1.5~2m,采用了多普勒超聲波流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),見圖7。


圖7石咀測(cè)站多普勒超聲波流量計(jì)示意圖

各測(cè)站采用高精度流速儀對(duì)所測(cè)的瞬時(shí)流量進(jìn)行對(duì)比分析。通過比較和個(gè)別參數(shù)修訂,各測(cè)站測(cè)出的瞬時(shí)流量穩(wěn)定可靠,與流速儀測(cè)出的數(shù)據(jù)有很高的一致性。

5結(jié)束語

超聲波測(cè)流技術(shù)以其測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)越來越得到重視。但因其價(jià)格高、專業(yè)性強(qiáng)、維護(hù)管理要求高使其應(yīng)用推廣較慢。隨著國(guó)家對(duì)水利投入的加大和節(jié)水型社會(huì)的建設(shè),該技術(shù)設(shè)備將很快成為主要測(cè)流手段而得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
〔1〕馬樹升.灌區(qū)水情無線數(shù)傳實(shí)時(shí)監(jiān)控的內(nèi)容與方法〔J〕.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,(1):63-65
〔2〕 楊豐,楊俊清.多普勒法測(cè)流技術(shù)簡(jiǎn)介〔J〕.水文,2004,(2):58-59
〔3〕 廖志敏,熊珊.超聲波流量計(jì)的研究和應(yīng)用〔J〕.管道計(jì)術(shù)與設(shè)備,2004,(4):12-14
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金屬管浮子流量計(jì)采用可變面積式測(cè)量原理生產(chǎn)研究,適用于液體、氣體、蒸汽等介質(zhì)的測(cè)量,被廣泛用于工業(yè)、石油、化工、治金、環(huán)保等領(lǐng)域中。今天我們主要來介紹一下金屬管浮子流量計(jì)常見故障問題及處理方法,希望可以幫助到大家。

一、指針抖動(dòng)

1.輕微指針抖動(dòng):一般由于介質(zhì)波動(dòng)引起。可采用增加阻尼的方式來克服。

2.中度指針抖動(dòng):一般由于介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)造成。對(duì)于氣體一般由于介質(zhì)操作壓力不穩(wěn)造成??刹捎梅€(wěn)壓或穩(wěn)流裝置來克服或加大浮子流量計(jì)氣阻尼。

3.劇烈指針抖動(dòng):主要由于介質(zhì)脈動(dòng),氣壓不穩(wěn)或用戶給出的氣體操作狀態(tài)的壓力、溫度、流量與浮子流量計(jì)實(shí)際的狀態(tài)不符,有較大差異造成浮子流量計(jì)過量程。

二、指針停到某一位置不動(dòng)

主要原因是浮子流量計(jì)的浮子卡死。

一般由于浮子流量計(jì)使用時(shí)開啟閥門過快,使得浮子飛快向上沖擊止動(dòng)器,造成止動(dòng)器變形而將浮子卡死。但也不排除由于浮子導(dǎo)向桿與止動(dòng)環(huán)不同心,造成浮子卡死。處理時(shí)可將儀表拆下,將變形的止動(dòng)器取下整形,并檢查與導(dǎo)向桿是否同心,如不同心可進(jìn)行校正,然后將浮子裝好,手推浮子,感覺浮子上下通暢無阻卡即可,另外,在浮子流量計(jì)安裝時(shí)一定要垂直或水平安裝,不能傾斜,否則也容易引起卡表并給測(cè)量帶來誤差。

三、測(cè)量誤差大

1.安裝不符合要求;

對(duì)于垂直安裝浮子流量計(jì)要保持垂直,傾角不大于20度;

對(duì)于水平安裝浮子流量計(jì)要保持水平,傾角不大于20度;

浮子流量計(jì)周圍100mm空間不得有鐵磁性物體;

安裝位置要遠(yuǎn)離閥門變徑口、泵出口、工藝管線轉(zhuǎn)彎口等。要保持前5D后250mm直管段的要求。

2.液體介質(zhì)的密度變化較大也是引起誤差較大的一個(gè)原因。由于儀表在標(biāo)定前,都將介質(zhì)按用戶給出的密度進(jìn)行換算,換算成標(biāo)校狀態(tài)下水的流量進(jìn)行標(biāo)定,因此如果介質(zhì)密度變化較大,會(huì)對(duì)測(cè)量造成很大誤差。解決方法可將變化以后的介質(zhì)密度帶入公式,換算成誤差修正系數(shù),然后再將流量計(jì)測(cè)出的流量乘以系數(shù)換成真實(shí)的流量。

3.氣體介質(zhì)由于受到溫度壓力影響較大,建議采用溫壓補(bǔ)償?shù)姆绞絹慝@得真實(shí)的流量。

4.由于長(zhǎng)期使用及管道震動(dòng)等多因素引起浮子流量計(jì)傳感磁鋼、指針、配重、旋轉(zhuǎn)磁鋼等活動(dòng)部件松動(dòng),造成誤差較大。解決方法:可先用手推指針的方式來驗(yàn)證。首先將指針按在RP位置,看輸出是否為4mA,流量顯示是否為0%,再依次按照刻度進(jìn)行驗(yàn)證。若發(fā)現(xiàn)不符,可對(duì)部件進(jìn)行位置調(diào)整。一般要求專業(yè)人員調(diào)整,否則會(huì)造成位置丟失,需返回廠家進(jìn)行校正。



    渦輪流量計(jì)在使用過程中精確度下降,可能是以下原因:
    1、流體中的纖維狀或粘性雜質(zhì)附在流量計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分,使轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大,造成儀表的指示值減少,出現(xiàn)負(fù)誤差,對(duì)流體的供方不利。
    2、流體溫度、壓力的變化可能使管道內(nèi)液體逸出所含的空氣或者因管道內(nèi)的壓力低于流體的飽和蒸汽壓、使部分液體變成蒸汽,也可能因介質(zhì)的負(fù)壓使外面的氣體被吸入管道內(nèi),這些氣體隨著被測(cè)液體流動(dòng),造成儀表指示值增大,出現(xiàn)正誤差,對(duì)流體的需方不利。
    3、介質(zhì)中一般都有一些雜質(zhì),對(duì)軸承、軸要產(chǎn)生磨損,使兩者間的間隙增大,動(dòng)件的動(dòng)平衡被破壞,轉(zhuǎn)速下降,或者臟物進(jìn)入間隙內(nèi),使運(yùn)動(dòng)阻力增大,轉(zhuǎn)速下降。這些原因都造成儀表顯示值減少,出現(xiàn)負(fù)誤差,對(duì)流體的供方不利。
    4、惡劣的工作環(huán)境也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響,比如電磁場(chǎng)干擾、灰塵、高溫、振動(dòng)、潮濕等,可能造成渦輪流量傳感器的誤動(dòng)作或失靈,直接造成渦輪流量計(jì)的示值誤差,誤差是正值也可能是負(fù)值,可能不明顯,也可能完全失效。對(duì)于上述現(xiàn)象,在比較嚴(yán)重時(shí),能從流程工作狀態(tài)的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)問題,容易采取相應(yīng)措施。但是,在問題初期,不采取特殊措施就不能發(fā)現(xiàn)問題。







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