超声热量表换能器探头安装方式的选择

超声热量表换能器探头安装方式的选择

0传感器的组成随着热量计量的改革，热量表迅速进入中国北方的成千上万的家庭，并越来越受到重视。热量表由流量传感器、配对温度传感器和计算器三部分组成。流量传感器为超声波式的热量表称为超声热量表。超声热量表一般采用时差法计算流体的流速。压电换能器的安装方式对超声热量表流量测量有较大影响,本文通过介绍超声热量表的换能器探头安装方式,结合实际检测经验分析每种安装方式的特点,进而对超声热量表选型提出相应建议。1超声波传播距离的确定时差法是利用两个压电换能器相互向对方发射超声波,双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。测量原理见图1。图1中,D为管道内直径,L为换能器间距,θ为传播方向与流动方向夹角。设t1为超声波顺流时间,t2为逆流时间,c为超声波在非流动介质中的声速,V为介质流动速度。则顺流和逆流时间可表示为t2和t1之间的差为由于V<<c,所以流体的流速为由于时差法所测量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VS。两者是不同的,差异取决于流速分布状况。因此,必须对流场分布进行修正。液体实际流速为式中,K为流速分布修正系数。可见,足够的超声波传播距离,合理的传播方式,才可能得到较为准确的测量结果。换能器的安装方式对超声热量表的计量性能有重要影响。2更换能器的安装方法在实际应用中,根据超声波的传播轨迹,超声热量表换能器探头的安装方式主要有V、N、W、Z、X、U六种方式。2.1传播射线轨迹见图2。V法安装时,超声波经过壁面的反射,传播射线轨迹为折线,经历两个声程。V法测量较准确,可测口径范围较广,是换能器的标准安装方式。2.2n法见图3。N法安装时,超声波在管道中折射两次,穿越流体三次,经历三个声程。通过延长超声波传输距离的方法,提高了小口径的测量准确度。2.3提高测量准确度见图4。W法与N法类似,也是通过延长超声波传播距离来提高测量准确度。超声波在管内折射三次,穿过流体四次,共经历四个声程,适用于小口径流量测量。2.4管道粗及管壁结垢见图5。Z法安装时,超声波在管道中直接传输,没有折射,又称为单声程。当管道很粗或由于液体中存在悬浮物或管内壁结垢太厚,反射安装方式信号弱时,应首选Z法安装。原因是使用Z法时,超声波在管道中直接传输,没有折射,信号衰耗小。一般口径100mm以上超声热量表采用Z法较多。2.5双声道方法见图6。当流场分布不均匀,或表前的直管段较短,或需要较高测量准确度时,可采用多声道方式(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。双通道方法,即为X法。X法通过对流速分布和面积的二重积分,计算出流量,因此可以在低流速、复杂的流态下得到较高的测量准确度。2.6u法4:u法u法U法安装见图7。U法是一种新式换能器探头安装方式。两个反射片固定在管道内,反射片与管道中心轴线的夹角为45°。换能器1发射的超声波信号经过两个反射片后被换能器2接收,完成一次测量。U法安装的优点是:保证超声波有足够的传播距离,避免了斜超声波传播时声波折射角对测量结果的影响,从而提高了流量测量准确度;缺点是:管道布置复杂,反射片对流场分布有一定影响。另外,为了避免管壁反射造成的超声波信号自身干扰、方向性差、强度低等缺点,对于反射安装方式的超声热量表,厂家一般对反射面进行精细加工,反射面不易结垢,超声波信号反射效果较好。3超声热量表u的安装小口径、小流量点的测量,是超声热量表流量测量的一个难点。因此,DN50mm以下的超声热量表换能器探头一般采用多声程反射安装方式,如V、N、W、U四种方法。通过增加超声波传输距离的措施,提高流量测量准确度。由于U法反射片对低速流量影响较小,U法安装测量准确度高,稳定性好,目前在小口径超声热量表中也应用广泛。DN50mm到DN100mm的超声热量表,换能器探头多采用V、N、W、Z四种方法。由于口径增大时,反射片对流场的影响增大,U型安装方式较少采用。DN100mm以上的超声热量表,换能器探头一般采用Z、X两种方法。原因在于口径较大时,单声程能满足测量要求,超声波在管道中直接传输,没有折射,信号衰耗小。安装条件有限和需要较高测量准确度时,一般采用多声道的X法。4流速流量测定户用热量表建议选用多声程超声热量表,其中换能器探头U法安装的超声热量表在低流速流量测定中计量性能较好;楼栋