超声波流量计原理与应用.ppt

超声波流量计原理与应用 流量仪表系列培训 1 基本原理 封闭管道用超声波流量计按测量原理分类有 传播时间法 多普勒效应法 波束偏移法 相关法 噪声法 本章将讨论用得最多的传播时间法和多普勒效应法的仪表 1 1传播时间法声波在流体中传播 顺流方向声波传播速度会增大 逆流方向则减小 同一传播距离就有不同的传播时间 利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速 称之传播时间法 按测量具体参数不同 分为时差法 相位差法和频差法 现以时差法阐明工作原理 1 基本原理 1 基本原理 1 1 1流速方程式如图8 1所示 超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢 为 1 反之 超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快 为 2 式 1 减式 2 并变换之 得 1 基本原理 3 式中 L 超声波在换能器之间传播路径的长度 mX 传播路径的轴向分量 m t12 t21 从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间 s c 超声波在静止流体中的传播速度 m s Vm 流体通过换能器1 2之间声道上平均流速 m s 时 间 差法与频 率 差法和相差法间原理方程式的基本关系为 4 1 基本原理 5 式中 f 频率差 相位差 f21 f12 超声波在流体中的顺流和逆流的传播频率 f 超声波的频率 从中可以看出 相位差法本质上和时差法是相同的 而频率与时间有时互为倒数关系 三种方法没有本质上的差别 目前相位差法已不采用 频差法的仪表也不多 1 基本原理 1 1 2流量方程式 传播时间法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速 而计算流量所需是流通横截面的面平均流速 二者的数值是不同的 其差异取决于流速分布状况 因此 必须用一定的方法对流速分布进行补偿 此外 对于夹装式换能器仪表 还必须对折射角受温度变化进行补偿 才能精确的测得流量 体积流量qv为 6 式中K 流速分布修正系数 即声道上线平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比 K vm v DN 管道内径 1 基本原理 1 2多普勒 效应 法多普勒 效应 法超声波流量计是利用在静止 固定 点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象 1 2 1流速方程式 1 基本原理 如图8 2所示 超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波 经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射 散射的超声波产生多普勒频移fd 接收换能器B收到频率为fB的超声波 其值为 7 式中v 散射体运动速度 多普勒频移fd正比于散射体流动速度 8 1 基本原理 测量对象确定后 式 8 右边除v外均为常量 移行后得 9 1 2 2流量方程式多普勒法超声波流量计的流量方程式形式上与式 6 相同 只是所测得的流速是各散射体的速度v 代替式中的vm 与载体液体管道平均流速数值并不一致 方程式中流速分布修正系数Kd以代替K0Kd是散射体的 照射域 在管中心附近的系数 其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数 2主要技术性能 2 1超声波流量计的优点超声波流量计可作非接触测量 夹装式换能器超声波流量计可无需停流截管安装 只要在既设管道外部安装换能器即可 这是超声波流量计在工业用流量仪表中具有的独特优点 因此可作移动性 即非定点固定安装 测量 适用于管网流动状况评估测定 超声波流量计为无流动阻挠测量 无额外压力损失 流量计的仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得的 既可采用干法标定 除带测量管段式外一般不需作实流校验 超声波流量计适用于大型圆形管道和矩形管道 且原理上不受管径限制 其造价基本上与管径无关 对于大型管道不仅带来方便 可认为在无法实现实流校验的情况下是优先考虑的选择方案 多普勒超声波流量计可测量固相含量较多或含有气泡的液体 超声波流量计可测量非导电性液体 在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充 2主要技术性能 因易于实行与测试方法 如流速计的速度 面积法 示踪法等 相结合 可解决一些特殊测量问题 如速度分布严重畸变测量 非圆截面管道测量等 某些传播时间法超声波流量计附有测量声波传播时间的功能 即可测量液体声速以判断所测液体类别 例如 油船泵送油品上岸 可核查所测量的是油品还是仓底水 2 2超声波流量计的缺点和局限 传播时间法超声波流量计只能用于清洁液体和气体 不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体 反之多普勒法超声波流量计只能用于测量含有一定异相的液体 外夹装换能器的超声波流量计不能用于衬里或结垢太厚的管道 以及不能用于衬里 或锈层 与内管壁剥离 若夹层夹有气体会严重衰减超声信号 或锈蚀严重 改变超声传播路径 的管道 多普勒法超声波流量计多数情况下测量精度不高 国内生产现有品种不能用于管径小于DN25mm的管道 3超声波流量计的分类和结构 3 1组成超声波流量计主要由安装在测量管道上的超声换能器 或由换能器和测量管组成的超声流量传感器 和转换器组成 转换器在结构上分为固定盘装式和便携式两大类 换能器和转换器之间由专用信号传输电缆连接 在固定测量的场合需在适当的地方装接线盒 夹装式换能器通常还需配用安装夹具和耦合剂 图8 3是系统组成示例 此例是测量液体用传播时间法单声道Z法夹装式超声波流量计 3 2分类可以从不同角度对超声流量测量方法和换能器 或传感器 进行分类 3 2 1按测量原理分类闭管道用超声波流量计按测量原理有5种 传播时间法 多普勒效应法 波束偏移法 相关法 噪声法 现在用得最多的是传播时间法和多普勒法两大类 3超声波流量计的分类和结构 3 2 2按被测介质分类有气体用和液体用两类 传播时间法超声波流量计两种介质各自专用 因换能器工作频率各异 通常气体在100 300kHz之间 液体在1 5MHz之间 气体仪表不能用夹装式换能器 因固体和气体边界间超声波传播效率较低 3超声波流量计的分类和结构 3 2 3传播时间法按声道数分类按声道数分类常用的有单声道 双声道 四声道和八声道四种 近年有出现三声道 五声道和六声道 四声道及以上的多声道配置对提高测量精度起很大作用 各声道按换能器分布位置 见图8 4 又可分为以下几种 1 单声道有Z法 透过法 和V法 反射法 两种 2 双声道有X法 2Z法 交差法 2V法和平行法三种 3 四声道有4Z法和平行法两种 4 八声道有平行法和两平行四声道交差法二种 3超声波流量计的分类和结构 4完好条件 4 1零部件完整 符合技术要求 即 a 名牌应清洗无误 b 零部件应完好齐全并规格化 c 紧固件不得松动 d 可调件应处于可调位置 e 所配保护保温应完好无损 4 2运行正常符合作用要求 即 a 运行时 仪表应达到规定的性能指标 b 正常工况下 仪表示值应在全量程的20 80 4 3设备及环境整齐 洁净 符合工作要求 即 a 整机应清洁 无锈蚀 漆层应平整 光亮 无脱落 b 仪表线路应敷设整齐 均要做固定安装 c 线路标号应齐全 清晰 准确 5选型 5 1测量原理的选择选择液体用超声波流量计首先考虑测量原理是传播时间法还是多普勒法 其主要判断要素是 液体洁净程度或杂质含量 测量精度要求 基本适用条件如表8 1所示 5选型 此外 对于外夹装式仪表还要考虑管壁材料和厚度 锈蚀状况 衬里材料和厚度 对于现场安装换能器式仪表要考虑换能器类型 对于大管径传播时间法仪表要考虑声道数 等等 下文将分节讨论 5 2适用悬浮颗粒含量的范围多普勒法超声波流量计要比传播时间法适用悬浮颗粒含量上限高得多 而且可以测量连续混入气泡的液体 但是根据测量原理 被测介质中必须含有一定数量的散射体 否则仪表就不能正常工作 传播时间法超声波流量计可以测量悬浮颗粒很少的液体 但不能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较大固体物的液体 在这种情况下应用 应在换能器的上游进行消气 沉淀或过滤 在悬浮颗粒含量过多或因管道条件致使超声信号严重衰减而不能测量时 有时可以试降低换能器频率 予以解决 5选型 5 3测量精确度5 3 1传播时间法传播时间法比多普勒法有较高的测量精确度 液体基本误差为 0 5 R至 5 FS 重复性为0 1 R 0 3 R 气体基本误差为 0 5 R到 3 FS 重复性为0 2 R 0 4 FS 高精度仪表均为多声道仪表 中小口径液体管段式超声流量传感器通常都用水做实验校验 具有 0 5 R的高精度 管外夹装换能器或在现场管道固定安装换能器的仪表 要通过定标计算接入现场管道流通面积和传播距离长度测量误差 夹装在管道的不确定性 声耦合变化等因素 要降低些 若安装调试粗糙不细致 测量精确度有可能低到5 甚至更低 测量精确度还取决于声道数设置及其布置位置 下文将进一步讨论 5选型 5 3 2多普勒法典型仪表的基本误差为 1 10 FS 重复性为 0 2 1 FS 工业用多普勒法超声波流量计的超声波频率为0 5 2MHz 多普勒信号包含着不同散射体移动速度的频谱 检测电路提供多普勒频移若干平均测量值以求的速度 所测的散射体速度和流体平均流速之间的关系 随着不同状况而变化 有一定不确定性 多普勒法超声波流量计性能因受以下一些原因所形成的因素影响 整体性能要比传播时间法低得多 例如 散粒体的性质 非轴向速度分量形成的多普勒频移增宽 被照射域位置的不确定性 散射体和基相液体间的滑差 因此有些制造厂的技术数据仅列出仪表的重复性而不列测量精确度或基本误差 流体运行流速不能过低 过低的流速会使离散体分布不均匀 若测量管水平安装 气体会浮升在顶部流动 颗粒会沉淀于底部 最低流速通常为0 1 0 6 5选型 5 4声道设置和直管段要求多普勒法超声波流量计通常只有单套发送和接收换能器 便携式外夹装换能器传播时间法超声波流量计通常也只有单声道 其他夹装式则也有用双声道者 带测量管段式有单声道和双声道以上 5 4 1传播时间法传播时间法采用多少声道的主要依据是测量精确度要求和安装仪表管段流动状况 取决于上游阻流件组成和直管段条件 以及管径大小 例如BS7405推荐管径大于0 5m用3或4声道 达于3m则用8声道 单声道从单一路径的线平均流速乘上系数代表平均流速 单一路径声道的换能器设置通常是通过管道中心 即在横截面投影圆的直径上 其系数即如图10 2所示 也右声道设置在弦的位置上 流动速度分布畸变和存在径向速度分量 如涡流 二次流 则会改变该系数值 弦位置的影响比直径位置的影响小 多声道测量多路径线平均流速 更减少流动畸变影响 提高测量精度 5选型 确定声道数有的可按仪表样本规范选择 如管段式超声波流量计 除单声道外较多采用双声道计量声道以上 有的则向仪表制造场联系磋商 如现场安装式超声波流量计 特别是大管径应用 通常为3 8声道 为了获得流体沿管道中心平行对称地流动 测量点上下游要有足够的长度直管段作有效整流 不能满足时应设置流动调整器 传播时间法超声波流量计直管段长度要求尚未有国际标准或国家标准规定值 应按制造厂提供的规定 表8 2例举几个不同来源提出的要求 可作为选型时的一般依据 表8 2传播时间法超声波流量计直管段要求 5选型 5选型 5 4 2多普勒法对多普勒法超声波流量计的直管段要求也没有国际标准和国家标准的规定值 人们对多普勒法超声波流量计直管段要求程度在看法上也迥然不同 一种看法认为 从原理上讲多普勒法仅测量 照射域 内散射体的流速 其测量值受流速分布影响比传播时间法大 为了尽量减少这种影响 除了采取其他一些方法外 还应保证照射测量域的上下游有足够长度的直管段 以得到较好的流动状态 例如日本电气计测工业会认为多普勒法超声波流量计所需直管段长度一般应是传播时间法的1 5倍 然而另一种看法是 多普勒法超声波流量计本身测量精确度等性能较低 流速分布影响相对于总体测量精确度不重要 直管段要求反而降低 例如有仪表制造厂提出只要在测量点上下游保持大于3 5DN的直管段 5选型 5 5换能器类型的选择5 5 1传播时间法本类仪表可采用换能器的类型较多 各厂家换能器结构不同 适用的流体条件 温度 压力等 管道条件 材质 形状 管径 直管长度等 和安装条件等也不相同 此外还与声道的设置方法有关 而声道的设置方法又与测量精度和重复性等密切相关 气体用超声波流量计因固体和气体界面间超声波传播效率非常低 只能用直射式换能器 因此气体流量测量一般不采用外夹装式超声波流量计 5 5 2多普勒法本类仪表用的折射式换能器 目前国内产品大部分采用夹装式 但与传播时间法所用的夹装式换能的发射频率等技术性能不同 不能混用 然而两者适用管道条件是基本相同的 5选型 5 6安装布置方面的考虑1 安装位置和流动方向超声波流量计的流量传感部分 超声流量传感器或超声换能器 一般均可安装于水平 倾斜或垂直管道 垂直管道最好选择自下而上流动的场所 若为自上而下 则其下游应有足够的背压 例如有高于测量点的后续管道 以防止测量点出现非满管流 2 单向流还是双向流通常为单向流 但也可通过较复杂电子线路 设计成双向流动 此时流量测量点两侧直管段长度均应按上游直管段的要求布置 3 管道条件外夹装式超声波流量计管道内表面积沉积层会产生声波不良传输和偏离预期声道路径和长度 应予避免 外表面因易于处理较少影响 夹装式换能器和管道接触表面要涂上耦合剂 应注意粒状结构材料 例如铸铁 混凝土 的管道 很可能声波被分散 大部分声波传送不到流体而降低性能 换能器安装处管道衬里或锈蚀层与管壁之间不能有缝隙 用V法的反设处必须避开焊缝和接口 参见图8 5 4 上游流动扰动与大部分其他流量仪表一样 超声波流量计敏感于流过仪表的流速分布剖面 因此也要求相当长度的上游直管段 前文已对直管段要求作了讨论 5选型 5 防止声干扰应注意由控制阀高压力降等所形成的声学干扰 特别在测量气体流量时尤为重要 设法避免之 例如Instromet公司的超声波流量计显示仪中有声干扰实时测量报警 测量管道中采用如图9所示弯管阻断声干扰的措施 5选型 5 7经济因素方面的考虑小口径超声波流量计与其他流量仪表相比价格较贵 然而非管段式超声波流量计价格并不明显增加 所以用于大口径 超大口径仪表有明显价格优势 多声道仪表有较复杂电子计算部件 价格要高些 因此在要求高精度的中小管径上应用受到一些限制 然而上有扰动大而直管段布置受限制的场所 多声道系统可能是仅有的合理解决方案 外夹装式便携式超声波流量计的机动性和可以多处使用 仪表购置费可分摊给各测量点 从而降低测量成本 超声波流量计的流量校验费用 外夹装式仪表通常不作实流校验 仅作静态调试 液体用仪表可充实液调试 管段式仪表为提高仪表精度 均作实流校验 因为这些校验或调试在出厂前进行 一般包括在价格内 大管径仪表为了提高测量精确度或用户需要在现场考核其精确度 或者测量位置流场畸变严重必须作实流标定 在测量原位用速度面积法等方法在线校验 则应考虑其校验费用 6安装 6 1详细了解现场情况超声波流量计在安装之前应了解现场情况 包括 1 安装传感器处距主机距离为多少 2 管道材质 管壁厚度及管径 3 管道年限 4 流体类型 是否含有杂质 气泡以及是否满管 5 流体温度 6 安装现场是否有干扰源 如变频 强磁场等 7 主机安放处四季温度 8 使用的电源电压是否稳定 9 是否需要远传信号及种类 根据以上提供的现场情况 厂家可针对现场情况进行配置 必要情况下也可特制机型 6安装 6 2选择安装位置选择安装管段对测试精度影响很大 所选管段应避开干扰和涡流这两种对测量精度影响较大的情况 一般选择管段应满足下列条件 1 避免在水泵 大功率电台 变频 即有强磁场和震动干扰处安装机器 2 选择管材应均匀致密 易于超声波传输的管段 3 要有足够长的直管段 安装点上游直管段必须要大于10D 注 D 直径 下游要大于5D 4 安装点上游距水泵应有30D距离 5 流体应充满管道 6 管道周围要有足够的空间便于现场人员操作 地下管道需做测试井 测试井如下 6安装 6 3确定探头安装方式超声波流量计一般有两种探头安装方式 即Z法和V法 但是 当D 200mm而现场情况为下列条件之一者 也