超聲波流量計在礦山水泵流量測定中的應用
1 使用現狀
隨著科學技術的進步, 流量的檢測已經很少采用圍堰法進行。與之相比, 超聲波流量計有檢測精度高、便于攜帶、檢測快速等優點。目前采用超聲波流量計對管路中流體流量的測量已經成為相關檢測機構廣泛使用的方法。
2 超聲波流量計的使用原理
根據對信號檢測的原理超聲波流量計可分為傳播速度差法 (直接時差法、時差法、相位差法和頻差法) 、波束偏移法、多普勒法、互相關法及噪聲法等。目前, ***廣泛采用的是超聲波傳播時間差法。其工作原理是:超聲波在流體中傳播時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。當超聲波在流體中傳播時順溜傳播的超聲波傳播速度會增大, 逆流傳播的超聲波傳播速度會減小, 即同一傳播距離就有不同的傳播時間, 再利用傳播速度之差與被測流體流速值關系求出流速從而換算出流量。
圖1 時差法超聲流量計測量原理圖 下載原圖
如圖1所示, 有兩個超聲波換能器, 兩個換能器分別安裝在流體管線的兩側并保持一定距離, 管線的內直徑為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方向夾角為θ。
式中:c-超聲波在非流動介質中的聲速;V-流體介質的流動速度。
(2) – (1) 得
式中, X-兩個換能器在管線方向上的間距。
假設流體的流速與超聲波在介質中的速度相比是個小量, 即:
3 流量測定準確性的影響因素
3.1 探頭的耦合性能
3.1.1 表面的粗糙度
超聲波從一種介質傳播到另一種介質時, 在介質分界面上將會發生反射和透射, 以及散射。當反射面光滑時我們認為散射效應為零, 在比較光滑 (Ra<6.3) 時其表面散射效應非常小可近似認為是零。過大的粗糙度將會使探頭與管壁表面的耦合界面處發生較嚴重的散射現象, 使超聲波回波波形發生畸變, 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, 這必將導致一部分的超聲波自晶片發出后無法有效的通過耦合劑進入管道內壁引起能量損耗, 進而影響測量效果。實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償曲面和粗糙表面對探測靈敏度的影響。為此從一定程度上說, 晶面與管道壁圓弧處貼合情況越好, 就會有越多的超聲波導入管道壁中用于測量, 其信號強度也就越高。
3.2 管道內壁水垢
水在長期的管道輸送過程中, 在輸水管道內壁會形成一層堅硬的沉淀物———水垢。通常將水垢按其主要化學成分分為四類: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時, 受其組織結構影響, 在傳導過程中發生極大地吸收衰減及擴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難以滿足設備檢測的需要。
3.3 安裝位置的影響
流體在管路中流動時因受到管路變徑、管路方向改變等因素影響, 管路中流體流速會在變截面處和流體運動方向發生改變處以及靠近這兩個部位的一定距離范圍內呈現不均衡狀態 (即這些區域水流流速不穩定) , 從而影響測量結果的可靠性, 導致測量結果失真。
3.4 管道壁后的影響
管道的薄厚對于流量的測量有很大的影響, 依據設備使用說明書, 當內徑存在1%的差異時, 測量值約有3%的誤差。因此對管道壁厚, 輸入準確的厚度測量參數在進行流量測量時就尤為重要。
3.5 儀器設備自身的影響
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在顯示范圍內能保持的一致性, 所以在具體的檢測檢驗過程中為了達到良好的檢測檢驗效果, 應對設備示數范圍進行逐一校準, 在設備制作數值校準曲線, 以使設備在檢測過程中能夠更加地顯示所測量的數據, 同時為了更加接近真值可以進行多次測量取平均值已達到更好的測量效果。
4 超聲波流量計安裝方法及適用范圍
超聲波流量計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法標準的安裝方法, 使用方便, 測量準確?？蓽y管徑范圍為25mm~400mm的管道上使用。安裝傳感器 (探頭) 時應注意上下游兩傳感器 (探頭) 應水平對齊, 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 下載原圖
4.2 Z法
Z法安裝一般適用于輸水管道粗、水質不很潔凈或管道內壁有水垢而使V法安裝信號是真的情況。一般來說, 管道內徑在300mm以上時選用Z法安裝比較適合, Z法安裝適合的管道內徑100mm~600mm。安裝傳感器 (探頭) 時應注意上下游兩傳感器 (探頭) 與輸水管軸線在同一平面內, 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 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, 適用于測量管道內徑在50mm以下的小管。其安裝方法參照V法進行。
4.4 建議采取的探頭安裝部位
在流量測量時, 為避免管道改變處的流速不穩定, 測點應選擇在距上游 (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, 或水管的拐點在該長度以外) , 測量時管路中應充滿水。安裝時建議采用如上圖模式。
5 小結
在流量測量中為了高效、準確地對流量進行測量, 在測量前應根據相關要求及相關規定制定測量方案。測量時應首先選擇測點位置, 并且對測點處管路進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處的管道壁厚, 同時應選擇合適的探頭和安裝方式, 準確的安裝探頭, 調節儀器信號值, 從而使儀器達到***好的檢測狀態進而實現***佳測量效果。