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传感器
检测
技术
徐科
主编
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,7.6 超声流量计,7.6.1 工作原理及组成7.6.2 选用与安装考虑要点,7.6.1 工作原理及组成,通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。超声流量计的特点：可作非接触测量；无流动阻挠测量，无额外压力损失；适用于大型圆形管道和矩形管道；多普勒超声流量计可测量固相含量较多或含有气泡的液体；超声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。讨论用于测量封闭管道液体流量的超声流量计。,封闭管道用超声流量计分类,传播时间法；多普勒效应法；波束偏移法；相关法；噪声法,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的关系求取流速，称之传播时间法。按测量具体参数分类：时差法、相位差法频差法。,传播时间法原理,（1）流速方程式,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，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，,上面两式相减并变换可得,式中， L超声波在换能器之间传播路径的长度（m）； x传播路径的轴向分量（m）； t12从换能器1到换能器2的传播时间（s）； t21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）,（2） 流量方程式,测量和计算的流速是声道上的线平均流速，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，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。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：,式中，K 流速分布修正系数， K=Vm/V DN 管道内径。,K是单声道通过管道中心的流速（分布）修正系数。管道雷诺数ReD变化K值将变化，仪表范围度为10时，K值变化约为1；范围度为100时，K值约变化2。流动从层流转变为紊流时，K值要变化约30。所以要精确测量时，必须对K值进行动态补偿。,2. 多普勒（效应）法,多普勒（效应）法是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。,多普勒法超声波流量计原理图,（1）流速方程式,超声换能器A向流体发出频率为fA的超声波，经照射域内液体中散射体，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：,多普勒频移fd正比于散射体流动速度：,（2）流量方程式,流量方程式形式上与式（7.6.4）相同,Kd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。,（3）液体温度影响的修正,流体声速c是温度的函数，液温变化会引起误差。固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级，即流体声速c用声楔的声速c0取代，以减小用液体声速时的影响。,声楔的射角,cos=sin,sin/csin0/c0,（4）散射体的影响,多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体，而所测得各散射体速度和载体液体平均流速间的关系也有差别。其他参量如散射体粒度大小组合与流动时分布状况，散射体流速非轴向分量，声波被散射体衰减程度等均影响频移信号。,3. 组成,组成：超声换能器（超声流量传感器 ）转换器转换器在结构上分：固定盘装式和便携式,7.6 超声流量计,7.6.1 工作原理及组成7.6.2 选用与安装考虑要点,7.6.2 选用与安装考虑要点,1. 测量原理的选择2. 安装注意事项,1. 测量原理的选择,选择测量原理是传播时间法还是多普勒法，主要判断要素：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7.6.1所示。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。,表7.6.1测量原理基本适用条件,2. 安装注意事项,（1）流量传感器（即带测量管段的插入式换能器总成）的安装安装本类流量传感器时管网必须停流，测量点管道必须截断后接入流量传感器。连接流量传感器的管道内径必须与流量传感器相同，其差别应在1以内。,流量传感器上的传感器尽可能在与水平直径成45度的范围内，避免在垂直直径位置附近安装。否则在测量液体时换能器声波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。测量液体时安装位置必须充满液体。上下游应有必要的直管段。,水平管换能器安装位置,（2）外夹装式换能器的安装,剥净安装段内保温层和保护层，并把换能器按装处的壁面打磨干净。避免局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。对于垂直设置的管道，若为单声道传播时间法仪表，换能器的安装位置应尽可能在上游弯管的弯轴平面内，以获得弯管流场畸变后较接近的平均值。,单声道换能器垂直管道安装位置,换能器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝,避开接口和焊缝示意图,换能器安装处的管道衬里和垢层不能太厚。衬里、锈层与管壁间不能有间隙。对于锈蚀严
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