3.4 超声波流量计
3.4.1 常用超声测量基本原理
常用超声测量公式及原理见表3.1。
表3.1 常用超声测量公式及原理
注 Δt为时间差;θ为声道角;c为声速;ft初始频率;fd为多普勒频移;v为流体流速;L为声程长度。
1.时差法超声流量计测量原理
使用探头1发射信号,信号穿过管壁流体、管壁后被另一侧的探头2接收到;在探头1发射信号的同时探头2也发出同样的信号,经过管壁、流体、管壁后被探头1接收到;由于流速的存在使得两时间不等,存在时间差,因此根据时间差便可求得流速,进而得到流量值,如图3.11所示。
2.多普勒法
在多普勒超声波流量测量方法中,超声波发射器为一固定声源,随流体一起运动的固体颗粒起到与声源有相对运动的“观察者”的作用,当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据。发射声波与接收声波之间的频率差,就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速,所以测量频差可以求得流速,进而可以得到流体的流量。
图3.11 时差法超声流量计测量原理
1μs=10-6s 1ns=10-9s 1ps=10-12s
3.4.2 构成
超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统3部分组成,如图3.12所示。
图3.12 超声波流量计的构成
超声波发射换能器将电能转换为超声波能量,并将其发射到被测流体中,接收器接收到的超声波信号,经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。
3.4.3 优点和缺点
1.超声波流量计的优点
(1)超声波流量计是一种非接触式测量仪表,无生压力损失,且便于安装。
(2)可以测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。
(3)超声波流量计的测量范围大,管径范围从20～5m。
(4)超声波流量计可以测量各种液体和污水流量。
(5)超声波流量计测量的体积流量不受被测流体的温度、压力、黏度及密度等热物性参数的影响。可以做成固定式和便携式两种形式。
2.超声波流量计的缺点
(1)超声波流量计的温度测量范围不高,一般温度低于200℃的流体。
(2)抗干扰能力差、易受气泡、结垢、泵及其他声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度。
(3)直管段要求严格,为前10D、后5D。否则离散性差,测量精度低。
(4)安装的不确定性,会给流量测量带来较大误差。
(5)测量管道结垢后会严重影响测量准确度,带来显著的测量误差,甚至在严重时仪表无流量显示。
3.4.4 分类
按使用性能可分为标准型、非满管型、明渠型,如图3.13所示。
图3.13 超声波流量计的几种类型
3.4.5 超声波明渠流量计
由于超声波明渠流量计具有测量精度高、抗干扰强及使用方便等特点,因此在水利水电、输水供水工程中得到了广泛的应用。
1.原理
超声波明渠流量计是通过测量液体的平均流速和液位(换算成截面积)来计算流量值的超声流量仪表。
2.组成
超声波明渠流量计通常有单声道、两声道和多声道。多声道超声波明渠流量计由多对流速换能器、液位换能器、接线盒、控制器及电缆组成,如图3.14所示。
图3.14 多声道超声波明渠流量计组成
3.优点
渠道式流量计量原理与其他管道式流量计量方法比具有一定的复杂性。它具有不同尺寸不同材质的渠底、渠壁和自由液面,不但断面形状各异,而且水平和垂直流速分布不同,流态复杂,如图3.15所示。由于通过实测流速、液位(截面积)来演算流量,所以要比只测量液位的堰、槽、渠式流量计测量准确度高。可实现多声道测量,测量准确度随实际参与测量的声道数的增加而提高。当液位低于最低声道时,作为堰、槽流量计(液位和流速的函数关系)测量。被测渠(管、涵洞)的断面不受限制,而且可测渠宽可达上百米。
图3.15 渠道式流量计可应用于不同断面
4.明渠超声波流量计安装要求
(1)实测流速是建立在渠道流态充分发展的前提上的,即渠(管)道的直线段要满足要求。
(2)现场直线段不足时,通过在测量段交叉设置声道来补偿斜线流对流速测量准确度影响。
(3)现场测量段前后若有堰、闸等设施使垂直流态紊乱时,应采用多声道测量方式来达到准确测量面平均流速。
(4)声道数量和声道高度的确定,要依据测量准确度的要求,同时还要考虑最低水位、最高水位和工作水位。
(5)对渠道式流量计来说,准确测量流速、水位固然很重要,但往往对流量测量影响最大的是渠道断面积的误差(如渠底部泥沙淤积和渠壁不平整、渠宽不一致等误差)。所以,在此特别提出的是—渠道断面积误差的控制一定要在渠道土建设计开始。
3.4.6 管道超声波流量计安装要求
(1)上游要有10D以上直管段,下游要有5D以上直管段,如图3.16所示。
(2)被测管段应远离泵、弯头、阀等流体流动紊乱的地方。
(3)在易产生气泡的场合,需在流量计前安装放气孔。
(4)管内管外均可以安装。
图3.16 管道超声波流量计安装要求
3.4.7 使用、维护和检修
1.使用、维护
使用前应先检查流量计的输入管径参数,流量计自动算出的两探头间的轴向安装距离与实际安装距离是否正确;检查仪表密封点是否有泄漏;打开流量计前后阀门使其运行。每周进行1次仪表清洁,清除污垢;每3个月进行1次零点校准;每年对仪表内接插件连接进行检查。
2.检修
当流量计无显示时检查电源是否打开保险丝是否完好;当输出电流小于4mA时,检查是否为负流量,传感器电缆是否接反零点设定是否正确;当输出电流不稳定时,检查介质是否稳定,是否存气泡,传感器电缆或振子是否有问题,传感器是否失效。