多聲道超聲波流量計(jì)的原理及應(yīng)用

1、多聲道超聲波流量計(jì)的原理及應(yīng)用摘 要 : 隨著電子與傳感器技術(shù)的發(fā)展, 超聲波測(cè)流技術(shù)日趨完善, 并在許多行業(yè)的測(cè)流工程中得到了廣泛的應(yīng)用。該文介紹了超聲波測(cè)流原理及7510Plus 多聲道時(shí)差超聲波流量計(jì)的原理結(jié)構(gòu)與應(yīng)用。超聲波測(cè)流的最大優(yōu)點(diǎn)是非接觸式, 對(duì)被測(cè)介質(zhì)無(wú)干擾、無(wú)污染。因此,超聲波流量計(jì)被廣泛地應(yīng)用于水利、電力、石油、化工、自來(lái)水及食品等行業(yè)。1 超聲波測(cè)流原理1.1 單聲道超聲波流量計(jì)原理超聲波流量計(jì)按測(cè)量原理可分為: 時(shí)差法、 多普勒頻移法、相位差法和噪音法等 , 這些方法各有特點(diǎn), 可根據(jù)待測(cè)對(duì)象及要求的精度進(jìn)行選擇。由于時(shí)差法測(cè)量精度高、抗干擾強(qiáng)及使用方便等, 因此 ,

2、在水電站、泵站和大型輸水供水工程測(cè)流中得到了廣泛的應(yīng)用。時(shí)差法超聲波流量計(jì)(Transit Time UltrasonicFlowmeter) 的測(cè)流原理如圖 1 所示。 利用 1 對(duì)超聲波換能器相向交替或同時(shí)收發(fā)超聲波, 通過(guò)測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播的時(shí)間差, 然后通過(guò)公式計(jì)算出流體的流速,再間接計(jì)算流量。速海換帽器蹶流換能器圖I單聲道超幣波測(cè)流原理2只換能器(傳感器)分別安裝在流體管線的兩側(cè)，并相隔一定的距離。假設(shè)，管線的內(nèi)徑為D,超聲波行走的路徑長(zhǎng)度為 L,2個(gè)換能器在管線方向上的間距為X,超聲波順流傳播的時(shí)間為tu,逆流傳播的時(shí)間為td,超聲波傳播方向與流體流動(dòng)方向的夾角為8

3、 ,則td、tu、 t可用下式表示：cud) <+ 仃4”式中c為超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速；V為流體介質(zhì)的流動(dòng)速度為了簡(jiǎn)化，假設(shè)流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個(gè)小量。即I心f!產(chǎn)胃1則式(2)可簡(jiǎn)化為2即流體的流速為由此可見(jiàn)，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差成正比。測(cè)出流體的流速，根據(jù)測(cè)量處流體的截面積就可以算出流過(guò)測(cè)量斷面的流量。1.2 多聲道超聲波流量計(jì)原理多聲道超聲波流量計(jì)測(cè)流原理與單聲道超聲波流量計(jì)基本相同，只是測(cè)流時(shí)在流量的斷面上布設(shè)了多個(gè)傳感器。通過(guò)精確地測(cè)量各聲道上超聲波沿水流順向及逆向傳播的時(shí)差，用加權(quán)積分的方法計(jì)算出流量，其原理如圖2所示。由于大口徑管

4、道內(nèi)各點(diǎn)的流速是不同的 ，如果用1個(gè)點(diǎn)的流速計(jì)算流量， 誤差往往很大。應(yīng)用多聲道超聲波流量計(jì)就解決了這一難題 ，并大大地提高了流量的測(cè)量精確。a 2多用道超幣波孔流原理圖中，管道內(nèi)徑為D, 2換能器間的超聲傳播距離為L(zhǎng),超聲傳播方向與軸 線之間的夾角為9,超聲波流量計(jì)測(cè)量超聲脈沖沿若干傾斜聲路穿過(guò)運(yùn)動(dòng)流體的傳播時(shí)間并據(jù)此導(dǎo)出各聲路上的平均流體速度。聲路的數(shù)目與安裝位置以及用來(lái)計(jì)算流量的數(shù)學(xué)公式取決于過(guò)流道的形狀、大小及所需的測(cè)量精度。在大多數(shù)情況下，不需要通過(guò)與其它測(cè)流方法的對(duì)比來(lái)校準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用多聲道的方法來(lái)消除流速分布不均勻的影響。2超聲波流量計(jì)的構(gòu)成及特點(diǎn)圖3是超聲波流量計(jì)的

5、原理框圖，主要由2個(gè)超聲波發(fā)射單元、1個(gè)時(shí)間 測(cè)量單元和1個(gè)控制器共同完成超聲波的發(fā)射、接受和時(shí)間差的測(cè)量等工作。其他的外圍單元主要是完成參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)的輸出、顯示和傳送等功能。圖超聲波流品計(jì)原理7510 Plus超聲波流量計(jì)具有測(cè)量速度快；對(duì)流體無(wú)流阻、無(wú)壓力損失, 量程寬（0. 290 m）;測(cè)量結(jié)果不受流體成分、壓力、溫度變化的影響，測(cè)量精度高（±0. 5% ）;大口徑（最大測(cè)量管徑為15 m,明渠渠寬可達(dá)100 m）;測(cè)量管 段短（只需有1倍直徑管段即可）；適應(yīng)性強(qiáng)（可用于鋼管、碎管、明管、暗管、 涵洞、明渠等條件下的滿與非滿管測(cè)量）；易擴(kuò)展（單臺(tái)流量計(jì)可同時(shí)測(cè)16個(gè)單元的流

6、量），可根據(jù)管路條件及對(duì)測(cè)量精度的要求，分別采用2、4或8聲道任意組合。對(duì)經(jīng)常充滿水的流道，流量計(jì)可以配置為“管道”模式 ，通過(guò)設(shè)定描述聲路 長(zhǎng)、聲路角和符合 ASM或IEC規(guī)程的加權(quán)系數(shù)的參數(shù),用多聲路積分方法即 可實(shí)現(xiàn)流量計(jì)算。對(duì)于其它流道，通常使用“復(fù)合”模式。管道測(cè)量聲路的安 裝如圖4所示，明渠測(cè)量聲路的安裝如圖 5所示。圖4用于管道中的多聲道超聲波流昂計(jì)安裝圖5用于明渠中的多通道超聲波流量廿安裝7510 Plus流量計(jì)具備功能強(qiáng)大的后處理系統(tǒng),有多種信號(hào)檢測(cè)技術(shù)可選便捷的多參數(shù)輸入菜單，方便運(yùn)行人員進(jìn)行輸入、修改和查詢；實(shí)時(shí)的多變量顯示，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)一目了然，以及提供完善的接口 （

7、模擬量，開(kāi)關(guān)量,RS-232/485,MODbus 等）。3超聲波流量計(jì)的應(yīng)用在工程實(shí)際應(yīng)用中，換能器的安裝精度對(duì)整個(gè)測(cè)量精度有直接的影響，因此，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，正確地安裝換能器才能夠保證測(cè)量的精度。我們應(yīng)用超聲波流量計(jì)對(duì)某二級(jí)水電站水輪機(jī)組的流量特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，水輪機(jī)通過(guò)壓力鋼管引水，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境滿足超聲波測(cè)流條件 ，測(cè)試的流量特性曲線如圖6所示。圖6二維董永輪加端星特性曲線4結(jié)語(yǔ)廣東省水利試驗(yàn)基地從美國(guó)ACCUSONIC司引進(jìn)了 1套大口徑時(shí)差式7510P1US多聲道超聲波流量計(jì)，這一設(shè)備的引進(jìn)將極大地提高我省在大型水 電站、泵站和輸水供水工程中的測(cè)流水平及水力機(jī)械效率的測(cè)試手段。參考文獻(xiàn):1 南京申瑞電氣系統(tǒng)控制有限公司譯.7510Plus 型超聲波流量計(jì)使用手冊(cè) M, 2004.2 霍殿中 , 徐春榮 , 趙學(xué)東 . 水電站超聲波測(cè)流的新技術(shù)和新動(dòng)向J.水力機(jī)械技術(shù),