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超聲波流量計(jì)在礦山水泵流量測定中的應(yīng)用

摘要:闡述了時(shí)差法超聲波流量計(jì)的工作原理和在傳感器 (探頭) 安裝、使用過程中應(yīng)注意的問題, 以及測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響因素及彌補(bǔ)措施。
 

1 使用現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 流量的檢測已經(jīng)很少采用圍堰法進(jìn)行。與之相比, 超聲波流量計(jì)有檢測精度高、便于攜帶、檢測快速等優(yōu)點(diǎn)。目前采用超聲波流量計(jì)對(duì)管路中流體流量的測量已經(jīng)成為相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)廣泛使用的方法。

2 超聲波流量計(jì)的使用原理

根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測的原理超聲波流量計(jì)可分為傳播速度差法 (直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法) 、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法及噪聲法等。目前, ***廣泛采用的是超聲波傳播時(shí)間差法。其工作原理是:超聲波在流體中傳播時(shí)其傳播速度受到流體流速的影響, 通過測量超聲波在流體中傳播速度可以檢測出流體的流速, 從而換算出流量來。當(dāng)超聲波在流體中傳播時(shí)順溜傳播的超聲波傳播速度會(huì)增大, 逆流傳播的超聲波傳播速度會(huì)減小, 即同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間, 再利用傳播速度之差與被測流體流速值關(guān)系求出流速從而換算出流量。

圖1 時(shí)差法超聲流量計(jì)測量原理圖

圖1 時(shí)差法超聲流量計(jì)測量原理圖   下載原圖

 

如圖1所示, 有兩個(gè)超聲波換能器, 兩個(gè)換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并保持一定距離, 管線的內(nèi)直徑為D, 超聲筆行走的路徑長度為L, 超聲波順流流速為tu, 逆流流速為td, 超聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向夾角為θ。

計(jì)算公式

式中:c-超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速;V-流體介質(zhì)的流動(dòng)速度。

(2) – (1) 得

計(jì)算公式

式中, X-兩個(gè)換能器在管線方向上的間距。

假設(shè)流體的流速與超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個(gè)小量, 即:

計(jì)算公式
 
 
 

3 流量測定準(zhǔn)確性的影響因素

3.1 探頭的耦合性能

3.1.1 表面的粗糙度

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí), 在介質(zhì)分界面上將會(huì)發(fā)生反射和透射, 以及散射。當(dāng)反射面光滑時(shí)我們認(rèn)為散射效應(yīng)為零, 在比較光滑 (Ra<6.3) 時(shí)其表面散射效應(yīng)非常小可近似認(rèn)為是零。過大的粗糙度將會(huì)使探頭與管壁表面的耦合界面處發(fā)生較嚴(yán)重的散射現(xiàn)象, 使超聲波回波波形發(fā)生畸變, 從而大量的損耗超聲能量, 降低傳感器 (探頭) 接收到能量的強(qiáng)度, 影響測量效果。

3.1.2 探頭晶片與管道外壁的貼合情況

傳感器 (探頭) 的晶片安裝部位為水平面, 而管道為具有一定曲率的近平面, 這必將導(dǎo)致一部分的超聲波自晶片發(fā)出后無法有效的通過耦合劑進(jìn)入管道內(nèi)壁引起能量損耗, 進(jìn)而影響測量效果。實(shí)際耦合劑的聲阻抗在1.5-2.5×106kg/m2, 而鋼聲阻抗為45×106kg/m2, 所以靠耦合劑是很難補(bǔ)償曲面和粗糙表面對(duì)探測靈敏度的影響。為此從一定程度上說, 晶面與管道壁圓弧處貼合情況越好, 就會(huì)有越多的超聲波導(dǎo)入管道壁中用于測量, 其信號(hào)強(qiáng)度也就越高。

3.2 管道內(nèi)壁水垢

水在長期的管道輸送過程中, 在輸水管道內(nèi)壁會(huì)形成一層堅(jiān)硬的沉淀物———水垢。通常將水垢按其主要化學(xué)成分分為四類:碳酸鹽水垢、硅酸鹽水垢、硫酸鹽水垢和混合水垢等, 其對(duì)于超聲波的傳波有極大的吸收與阻礙作用。超聲波在通過該類物質(zhì)時(shí), 受其組織結(jié)構(gòu)影響, 在傳導(dǎo)過程中發(fā)生極大地吸收衰減及擴(kuò)散衰減從而在很大程度上降低了傳感器 (探頭) 所接收到的超聲波能量, 使得所接收到的信號(hào)難以滿足設(shè)備檢測的需要。

3.3 安裝位置的影響

流體在管路中流動(dòng)時(shí)因受到管路變徑、管路方向改變等因素影響, 管路中流體流速會(huì)在變截面處和流體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變處以及靠近這兩個(gè)部位的一定距離范圍內(nèi)呈現(xiàn)不均衡狀態(tài) (即這些區(qū)域水流流速不穩(wěn)定) , 從而影響測量結(jié)果的可靠性, 導(dǎo)致測量結(jié)果失真。

3.4 管道壁后的影響

管道的薄厚對(duì)于流量的測量有很大的影響, 依據(jù)設(shè)備使用說明書, 當(dāng)內(nèi)徑存在1%的差異時(shí), 測量值約有3%的誤差。因此對(duì)管道壁厚, 輸入準(zhǔn)確的厚度測量參數(shù)在進(jìn)行流量測量時(shí)就尤為重要。

3.5 儀器設(shè)備自身的影響

儀器顯示值與真值之間必定存在一定的誤差, 很難保證所有的示數(shù)在顯示范圍內(nèi)能保持的一致性, 所以在具體的檢測檢驗(yàn)過程中為了達(dá)到良好的檢測檢驗(yàn)效果, 應(yīng)對(duì)設(shè)備示數(shù)范圍進(jìn)行逐一校準(zhǔn), 在設(shè)備制作數(shù)值校準(zhǔn)曲線, 以使設(shè)備在檢測過程中能夠更加地顯示所測量的數(shù)據(jù), 同時(shí)為了更加接近真值可以進(jìn)行多次測量取平均值已達(dá)到更好的測量效果。

4 超聲波流量計(jì)安裝方法及適用范圍

超聲波流量計(jì)按照探頭的安裝方式分為V法、Z法和W法等。

4.1 V法

一般情況下, V法標(biāo)準(zhǔn)的安裝方法, 使用方便, 測量準(zhǔn)確??蓽y管徑范圍為25mm~400mm的管道上使用。安裝傳感器 (探頭) 時(shí)應(yīng)注意上下游兩傳感器 (探頭) 應(yīng)水平對(duì)齊, 使其中心連線與輸水管道軸線水平一致。

圖2 V法安裝示意圖

圖2 V法安裝示意圖   下載原圖

 

4.2 Z法

Z法安裝一般適用于輸水管道粗、水質(zhì)不很潔凈或管道內(nèi)壁有水垢而使V法安裝信號(hào)是真的情況。一般來說, 管道內(nèi)徑在300mm以上時(shí)選用Z法安裝比較適合, Z法安裝適合的管道內(nèi)徑100mm~600mm。安裝傳感器 (探頭) 時(shí)應(yīng)注意上下游兩傳感器 (探頭) 與輸水管軸線在同一平面內(nèi), 且上游傳感器 (探頭) 在低位, 下游傳感器 (探頭) 在高位。

圖3 Z法安裝示意圖

圖3 Z法安裝示意圖   下載原圖

 

4.3 W法

W法通過延長超聲波傳輸距離的辦法來提高小管測量精度, 適用于測量管道內(nèi)徑在50mm以下的小管。其安裝方法參照V法進(jìn)行。

4.4 建議采取的探頭安裝部位

探頭安裝部位安裝圖

 

在流量測量時(shí), 為避免管道改變處的流速不穩(wěn)定, 測點(diǎn)應(yīng)選擇在距上游 (來水方向) 10倍管徑長度、距下游 (去水方向) 5倍管徑長度的均勻直管段 (即上、下閥門在該長度以外, 或水管的拐點(diǎn)在該長度以外) , 測量時(shí)管路中應(yīng)充滿水。安裝時(shí)建議采用如上圖模式。

5 小結(jié)

在流量測量中為了高效、準(zhǔn)確地對(duì)流量進(jìn)行測量, 在測量前應(yīng)根據(jù)相關(guān)要求及相關(guān)規(guī)定制定測量方案。測量時(shí)應(yīng)首先選擇測點(diǎn)位置, 并且對(duì)測點(diǎn)處管路進(jìn)行打磨以降低表面粗糙帶來聲能損耗, 然后利用超聲波測厚儀測量測點(diǎn)處的管道壁厚, 同時(shí)應(yīng)選擇合適的探頭和安裝方式, 準(zhǔn)確的安裝探頭, 調(diào)節(jié)儀器信號(hào)值, 從而使儀器達(dá)到***好的檢測狀態(tài)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)***佳測量效果。

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