非接觸式流量計、流體震蕩式流量計、流量流速儀-江蘇兄弟儀表廠
非接觸式超聲波流量計具有很多優(yōu)點:精度高；測量范圍大；測量結(jié)果不受導(dǎo)電率、壓力、溫度及粘度的影響，無需破壞管道在線安裝.
非接觸式超聲流量計具有優(yōu)于其它型式儀表的特點。現(xiàn)在其測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性也有了提高。它的壓電式傳感器可裝在管道內(nèi),也可裝在管道外。相對傳播式儀表通過測量上下游超聲波脈沖的傳播時間求得流速、流率、總流量等。它更適用于潔凈液體,測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性好,但價格較高。多普勒式儀表通過測量超聲信號頻率的變化求得流速、流率、總流量等。它更適用于污穢液體,價格較低。目前廠家正致力于提高相對傳播式儀表對污穢液體的測量準(zhǔn)確度和多普勒式儀表對潔凈液體的測量準(zhǔn)確度。
以前人們對非接觸式超聲流量計抱懷疑態(tài)度,現(xiàn)在普遍予以認(rèn)可。原因是儀表的內(nèi)部裝有能夠提高測量準(zhǔn)確度和改善重復(fù)性的電子設(shè)備。對于電廠來說非接觸式測量是人們所希望的。
超聲流量計在電廠中愈來愈具有吸引力,和其它型式的儀表相比,它具有下述一些優(yōu)點:(1)測量元件不需穿透管壁,這樣在管內(nèi)就不會產(chǎn)生壓降;(2‘)測量范圍廣;(3)比其它型式的流量表,初投資和維修費(fèi)用都較低,由于是非接觸測量,所以對電廠具有很大的吸引力,因為安裝和維修流量表時不需停機(jī)。下面簡述一下它的工作原理。
超聲流量計采用壓電式傳感器。傳感器的整體安裝在管道內(nèi)(圖1,浸入式儀表),或者管道外面(夾持式或搭接式儀表),附帶的電子設(shè)備對超聲信號進(jìn)行處理以測量流速、流率、和/或總流量(圖2),有時利用測量儀表和密度分析器一起求得質(zhì)量流量。現(xiàn)有兩種主要型式的儀表,即相對傳播式和多普勒式,如下所述: 相對傳播式儀表,也叫作傳播時間式或脈沖式儀表。它測量出上下游超聲波脈沖的傳播時間,超聲波是由一對或幾對傳感器發(fā)出的。傳感器的安裝位置可以與流體通路有一個傾斜角,也可以平行安裝(即安裝在同一側(cè),此時聲波從對側(cè)管壁上反射出去)。根據(jù)不同的傳感器和管子的外形結(jié)構(gòu),電子設(shè)備將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的流率和總的體積流量。有時,對于較大的管子選擇各種不同頻率的傳感器或者多通道結(jié)構(gòu)的傳感器。
如圖1所示,在管子內(nèi)裝有一對傳感器,某個傳感器發(fā)出的脈沖送到另一個傳感器。也就是說,每個傳感器既是一個發(fā)送器又是一個接受器。具有短脈沖的傳感器B接收測出的橫穿管道的兩個超聲波的時間差,一個超聲波是順著流體流動方向,另一個是逆著流休。管道內(nèi)聲波的平均速度表示如下:
tA、tB一一兩個超聲波的穿越時間 微處理器控制著傳感器的工作,完成所需的計算。在值班人員操作臺上顯示出結(jié)果,打印出流量數(shù)據(jù),并且接受所要求的鍵盤輸入。
由于流量計所測的平均通度不是實際流速,所以需要根據(jù)流體灼比重、成份和雷諾數(shù)川電子設(shè)備進(jìn)行修正。
多普勒效應(yīng)失真信號的幅度也降低,所以就需要一個高靈敏的多普勒式儀表以便檢測低于1英尺/秒時的液體流速。低于。.5英尺/秒流速時不推薦采用該型儀表。傳感器B 圖1浸入式儀表,傳感器位于含 有流休的管道內(nèi) 多普勒式流量計測量出射入流休超聲信號頻率的變化,造成流動液體非連續(xù)性的渦流、夾帶的固體物質(zhì)或氣體將把聲波反射回接收傳感器(圖3)。反射物體的相對運(yùn)動勢必把聲波壓縮成為較短波長的聲波,即較高頻率的聲波。用電子設(shè)備將接收傳感器所測得的較高頻率與傳送的信號相比較就會得到頻差,即頻率的變化。頻差與管道流速成正比。
雖然目前的研究工作旨在測量潔凈的液體,但是多普勒流量計也可測量泥漿、廢水和其它含有懸浮物的污穢液體的流速,在沒有足夠含量的固體顆粒時,相當(dāng)量的空氣氣泡或其它氣泡也會給出精確的讀數(shù)。
典型的傳輸頻率大約是o.6MHZ。因為它們的波長較短,所以從理論上講,對于較高的傳輸頻率,小顆粒物質(zhì)的反射率也較強(qiáng)。因此,對于潔凈液體它是一個合理的方 案。實際_L,較高的頻率對于液流中的不規(guī) 則的擾動也是靈敏的。
為了得到精確的流量數(shù)據(jù),測量潔凈液 體的多普勒式測量裝置需要特殊的分析、濾 波和處理電路(測量污穢液體的多普勒式儀 表不要求這個特殊的電路)。由于流速降低圖2用于流量測量的處理超聲 信號的電子設(shè)備流動方向反射體圖3測量射入超聲信號的多普勒 流量計.
相對傳播式儀表的最大的缺點是在流體通道上夾帶有顆粒物質(zhì)時工作比較困難。雖然它也容許液體中有一定數(shù)量的反射物休,但當(dāng)達(dá)到某種程度時,散射和衰減將引起儀表產(chǎn)生誤差。對此,選擇多普勒式儀表較為 合適,但是它也有些局限性。 多普勒技術(shù)所存在的問題是:夾帶的 固體顆粒不會在同一時間以相同的速度沿著 同一的方向運(yùn)動。重力可能引起某些顆粒上 升,其它的顆粒下降。而且,局部的擾動還 會周期性地破壞液體的流動。夾帶固體顆粒 的總體以平均速度移動,有時難以確定測得 的數(shù)值就是真正的平均速度。對于首批投入 市場的儀表有些用戶還是抱有某種懷疑態(tài) 度。
目前,制造廠家采用復(fù)雜的信號分析技 術(shù)以消除多普勒儀表測量中的不定因素。某 制造廠家根據(jù)快速富里哀傳遞技術(shù)來分析反 射頻譜,并且把來自夾帶顆粒的回聲與泵噪 聲,管道振動噪聲和其它虛假噪聲區(qū)分開 來。其它的制造廠家則采用數(shù)字濾波技術(shù)將 不需要的雜散頻率區(qū)分開,并且保留只與流 量有關(guān)的多普勒頻率。最近的一個設(shè)計方案 還包括噪聲抑制電路,該電路能夠?qū)⒍嗥绽?信號與疊加信號區(qū)分開,這樣準(zhǔn)確度可達(dá)到 實際標(biāo)定的滿量程流量范圍的土2%。 有趣的是,當(dāng)專門研究相對傳播式儀表 的制造廠家致力于提高污穢液體的測量準(zhǔn)確 度時,多普勒式儀表制造廠家正致力于使其 儀表能夠應(yīng)用于測量潔凈的液體。對于后 者,提高運(yùn)行頻率是一條途徑。頻率愈高,波 長也就愈短,潔凈液體中微小顆粒的反射率 愈強(qiáng)。可是,較短的波長也能對渦流及其它 擾動現(xiàn)象進(jìn)行較強(qiáng)的反射。
提高多普勒式儀表傳輸信號的功率是另 外一個解決問題的方案。這樣增加了反射物 體的反射能力,提高了信號噪聲比,并且改女進(jìn)了整個測量裝置的性能。遺憾的是,較高 的功率和潔凈的液體還意味著信號能夠沿著 管道進(jìn)行相當(dāng)大的距離。結(jié)果是反射波可能 來自預(yù)料不到的地方,因而使讀數(shù)產(chǎn)生誤 差。 當(dāng)液體是特別潔凈或者是特另lJ臟時,選用相對傳播式系統(tǒng)還是多普勒式系統(tǒng)是很明顯的。但是出現(xiàn)交叉情況時,這兩種測量系統(tǒng)的選擇就不再需要嚴(yán)格地按照流體聲音的純凈度來決定了。此外,選擇哪一種測量東統(tǒng)還要考慮性能與價格比。
多普勒系統(tǒng)是比較便宜的,對于多數(shù)情況,它們的測量準(zhǔn)確度是足夠的,但當(dāng)要求很高的準(zhǔn)確度和重復(fù)性很好時,相對傳播式的測量儀表則是一個比較理想的方案。多普勒系統(tǒng)遇到流速約為0.5英尺/秒,而流率接近零時它仍可得到有效的讀數(shù)。 由于夾持式超聲流量計是搭接在管道的外面,所以不論管道的尺寸如何,共投資是一樣的。但對于大直徑管道,由于要裝一系列儀表,投資會有很大增加。
對于浸入式超聲儀表也是如此。當(dāng)它們需要維修時,可不中斷裝置的運(yùn)行。 雖然浸入式儀表可能在管道內(nèi)產(chǎn)生不可預(yù)計的干擾,這些儀表的準(zhǔn)確度比起夾持式儀表來仍然要高。管壁厚度、內(nèi)徑和傳感器的位置對于夾持式儀表來說都是一些內(nèi)在的不定因素。還有,對于浸入式儀表制造廠家要比較嚴(yán)格地控制可能會影響準(zhǔn)確度和響應(yīng)時間的傳感器的頻率及通過液體的聲程。 管道內(nèi)每一點的流體速度是不同的,體積流量也不一樣。超聲流量測量灼混亂郭是不正確選用這兩個參數(shù)所致。 速度乘以管道的橫斷面就可以得到體積流量,即英尺/秒x英尺“x449=加侖/分。
從管道外徑和壁厚等參數(shù),測量儀表就可以自動地計算出體積流量。利用游標(biāo)卡尺測量管道外徑,用超聲壁厚儀測量管道壁厚,兩者之差就是管道的內(nèi)徑。 超聲流量計就像其它所有型式的流量計一樣必須測量管道內(nèi)的平均流量。怎樣才能工作得最好呢?當(dāng)管道為滿量程流量時,超聲波流量計的計量最為正確。關(guān)鍵就是確定好傳感器的位置,以便在此位置的聲束通道上能夠取出真正的流量信號。其它的通道只代表斷面的部分情況而不是平均狀態(tài)。還有,特定的局部地區(qū)的節(jié)流改變了管道內(nèi)的頻率,導(dǎo)致讀數(shù)發(fā)生很大誤差。 假如管道有一個彎曲段,則管道一側(cè)的流量大于另一側(cè)。為了獲得一個有代表性的取樣,傳感器可置于管道的相對兩側(cè)。這樣聲束穿過高低流量區(qū)。如果在幾個平面上的流束受到扭曲,則有必要采用一個多路系統(tǒng)方案。此方案是4個聲束取出不同平面液流的流動特性,從而得到有效的平均流速。
自聲束中搜集到的數(shù)據(jù)由測量表計的電子設(shè)備自動地進(jìn)行處理。 很明顯,由于直管段的流速比較均勻,所以裝在直管段最為有利。制造廠家通常是基于流量計安裝在直管段上而規(guī)定其準(zhǔn)確度的。例如,上游要有10倍管道直徑的直管段,下游要有3倍管道直徑的直管段。 對于夾持式儀表,一個單通道的相對傳播式流量傳感器可裝在管道上好幾個地方。觀察流量讀數(shù)可知對于不同的位置,其基本相同。當(dāng)在某個特定的位置上求得平均流速后,儀表就可永久地固定下采。 開式溝道的流量測量:對于開式溝道的流量測量主要采用超聲波技術(shù)。
典型的超聲波流量計是測量通過水槽和越過堰的流率,超聲波流量計產(chǎn)生兩個輸出信號,一個是對應(yīng)于流率的4、20。人直流信號,另一個是與總流量成比例的脈沖信號。為了檢測通過水槽或堰的流體的液位,流量傳感器發(fā)射一個超聲波束,并且接收液流面的回聲。然后由儀表自動地將液位轉(zhuǎn)換成流率。 傳感器包含有微機(jī)和測量壓頭的電子電路、流量計算電路和經(jīng)過裝在麥克風(fēng)內(nèi)的參考反射體后空氣溫度、密度、濕度等發(fā)生變化的補(bǔ)償裝置。麥克風(fēng)用同軸電纜與傳感器相連接。數(shù)字式旋轉(zhuǎn)開關(guān)用來選擇壓頭的測量范圍、零點、輸出脈沖的計數(shù),以及堰或水槽的型式。
氣體流量的測量:超聲波流量計大多數(shù)是用于測量液體流量,而自七十年代中期以來相對傳播式超聲儀表才用來測量天然氣管道的流量。對于采用各種非超聲波方法測量流量的場合,當(dāng)遇到大型管道和大的調(diào)比時改用超聲波方法則價錢較為便宜。量準(zhǔn)確度和多普勒式儀表對潔凈液體的測量準(zhǔn)確度。
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