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            流場變化對超聲波流量計的影響

            根據測量原理不同,流量計可分多種類別,應用較廣泛的有:電磁流量計、超聲波流量計、質量流量計、容積式流量計等。其中,超聲波流量計采用先進的多脈沖技術、數字信號處理技術和糾錯技術,使流量計更適合工業現場環境。儀器的流路沒有障礙,因此它是一種無阻礙流量計,適用于解決流量測量的難題,特別是大口徑管道流量測量。因其安裝方便、通用性好,計量更準確,被廣泛應用于一般性工業生產和重點能源建設等領域。湖南省計量檢測研究院張遙奇等研究了液體流場變化對超聲流量計測量精度的影響,并給出具體的使用建議。


            1、超聲波流量計工作原理及其特點

            超聲波流量計中的傳感器稱為換能器,變送器稱為流量顯示累積系統,二者是超聲波流量計測量系統的主要組成部分。使用鑄鐵酸鉛壓電元件作為傳感器實現聲波發射和接收,因流體影響聲波的傳輸,從而計算出介質流速。

            根據傳感器的安裝方式不同,接觸式和外夾式為超聲波流量計兩種主要的安裝形式,常用的是外夾式超聲波流量計。

            超聲波流量計的工作原理如圖1所示,其傳感器一般成對使用,共同組成一套發射和接收通道。超聲波首先由發射換能器發出,穿過介質和管壁,經對面管壁反射后再次穿過介質和管壁,被接收換能器接收,利用聲波在順流和逆流中傳播的時間差計算出被測液體的流速。

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            下游探頭B接收上游探頭A發射的超聲波信號的時間為t1,上游探頭A接收的下游探頭B發射的超聲波信號的時間記為t2。液體介質在管道內流動時,順流則超聲波信號傳輸速度加快,逆流超聲波信號傳輸速度減慢。兩個探頭間的距離為L,液體流速為V,超聲波和流體在管道中的流動夾角為φ、傳播速度為c,則有

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            超聲波流量計具有以下優點:

            1)抗干擾能力強。超聲波流量獨特的信號數字化處理技術,與聲音在介質中的傳播速度、被測流體的性質(如溫度、壓力等)無關,測量信號更穩定,抗干擾能力強。

            2)可進行雙向測量。測量流量時,聲波在介質中的傳播時間與超聲波流量計示值呈現一定的函數關系,對于正反方向的流動都適用,因此可對介質流量進行雙向測量。

            3)計量更準確。使用超聲波流量計進行測量時,可不破壞已建成管道,因此在流體中因安裝測量元件產生的附加阻力從而改變流體的流動狀態的現象不再出現,大大提高了測量的精度。


            2、流場變化影響實驗設計

            根據超聲波流量計工作原理,當管線內液體流場不穩定時,將會導致管線內介質流速出現較大變化或者同一截面內流速不均勻的情況,聲波在介質中的傳播時間就會受到影響,從而有可能導致測量的流速偏差較大。

            為驗證流場對超聲流量計的影響,在水流量標準裝置DN200管線上進行實驗,測試方法為標準表法。流場中的阻流件用一個同口徑閘閥代替,通過調節其開度大小形成強度不一的流場擾動。實驗對象為單聲道超聲波流量計,安裝方式為V法水平安裝。選擇340m3/h、113m3/h和34m3/h三個流量點,每個流量點測量3次,每次測試時間為180s。實驗中前后直管段均滿足安裝要求,設置以下三種工況條件,測試閘閥開度比例和旋轉角度對流量示值的影響:

            工況1:未安裝閘閥,測量超聲波流量計的示值誤差;

            工況2:安裝閘閥,測量閘閥分別處于全開、開75%、開50%三種開度時超聲波流量計的示值誤差;

            工況3:閘閥50%開度不變,測量閘閥旋轉5°和10°超聲波流量計的示值誤差。

            工況1為超聲波流量計的理想工作狀態,其測量數據為工況2和工況3的參照值。


            3、實驗和分析

            表1為工況1在理想狀態下各測試點的示值誤差和擴展不確定度,從表中可以看出,擴展不確定度約為0.5%(k=2),示值誤差在±1.01%以內。

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            由表2和圖2可看出閘閥開度對示值的影響,隨著閘閥開度變小,其示值誤差變小,但絕對值增大,說明閘閥開度越小流量計示值較理想狀態下往負方向偏離越大,這是因為隨著閘閥開度變小流場中擾流越來越多,流場越來越紊亂,對超聲波流量計的計量性能影響也越來越大。從超聲波流量計工作原理測量流速的公式(3)中可知,夾角φ不變,影響流量計測量誤差偏負的主要因素為聲波在介質中傳播的距離L和時間t1、t2。事實上閘閥的存在使得原來理想的定常流從一定程度上變成了非定常流,非定常流中產生了脫體漩渦和湍流旋渦,超聲傳播路徑上的大尺度旋渦影響了流量計的測量精度,從而導致示值誤差的變化。

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            由表3和圖3可看出閘閥旋轉角度對示值的影響,將閘閥在豎直安裝方向上偏轉5°和10°后,大流量和中流量時示值誤差較無旋轉狀態偏正,而閘閥旋轉角度對小流量影響沒有明顯規律。

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            通過以上對比實驗可以看出,流場變化對超聲波流量計的計量性能影響較大,實驗中流量計的安裝都滿足了前后直管段要求,但是加入阻流件后,非定常流中產生的旋渦影響超聲的傳播,因此流量計的示值誤差變化可超過2%,可能造成檢定結果與實際情況的重大偏離。因此在使用超聲波流量計的過程中,特別是現場檢定超聲波流量計時,一定要注意上游如果存在阻流件,一是要盡量延長前直管段的長度,使管線中的流場盡量達到自穩定;二是當存在閥門阻流件時,應將其開度調至最大,降低其對流場的擾動,提高超聲波流量計的測量

            精度。

            影響超聲波流量計的因素還有很多,如安裝角度、安裝距離、電磁環境等,今后可進行更多研究,使超聲波流量計的使用更加規范準確。


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