超聲波測流量技術(shù)

1、超聲波測流量技術(shù)摘要超聲波流量計是通過檢測流體流動時對超聲束（或超聲脈沖）的作用，以測量體積流量的儀表。文章主要討論用傳播時間法、多普勒效應(yīng)法測量封閉管道液體流量的工作原理。1.引言隨著時代的開展，管道運輸發(fā)揮著越來越多的作用，管道泄露引發(fā)的平安事故也時有發(fā)生，這不僅使得管道運行受到制約，也使得百姓生命財產(chǎn)平安蒙受巨大損失。所謂泄漏就是由于密閉的容器、管道、設(shè)備等外兩側(cè)存在壓力差，在其使用過程中，部介質(zhì)在不允許流動的部位通過孔、毛細管等缺陷滲出、漏失或允許流動的部位流動量超過允許量的一種現(xiàn)象。石油、天然氣和輸水管道的泄漏不僅導(dǎo)致了資源的損失，而且極污染了環(huán)境甚至發(fā)生火災(zāi)爆炸或水災(zāi)，嚴(yán)重威脅人民

2、生命財產(chǎn)的平安。而超聲波測定流量的檢漏是一種比擬經(jīng)濟、方便和易于安裝維護的技術(shù)。首先，將管道分成假設(shè)干局部，每一局部都安裝上超聲波流量測定裝置以測定這局部管道流進的和流出的體積流量，同時測定管道溫度和環(huán)境溫度、聲波在管道流體的傳播速度等參數(shù)。然后，根據(jù)體積平衡原理并應(yīng)用計算機軟件模型處理管道各個局部所有參數(shù)的測定結(jié)果，分析和比擬管道輸送中分別在泄漏時和正常運行時的參數(shù)狀況，由此診斷和確定管道泄漏量和泄漏點位置。通常，較短的處理周期說明了一個較大的泄漏點，較長的處理周期說明了一個較小的泄漏點。超聲波測定流量的檢漏系統(tǒng)與聲發(fā)射技術(shù)的管道泄漏檢測系統(tǒng)類似，都是在管道外部安裝非破壞性的設(shè)備或器件的檢漏

3、技術(shù)。超聲波測定流量的檢漏系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于城市供水管道系統(tǒng)中的泄漏狀況診斷。除此之外，還有便攜式的超聲波管道檢漏系統(tǒng)，可供有經(jīng)歷的技術(shù)人員佩戴超聲波耳機并在現(xiàn)場沿著地下管道線路巡檢使用，同樣具有比擬準(zhǔn)確的漏點定位能力。2測量原理超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三局部組成，是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲設(shè)能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進展顯示和積算，這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量

4、。它與水位計聯(lián)動可進展敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器那么是利用壓電效應(yīng)。超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用培鈦酸鉛

5、。為固定壓電元件，使超聲波以適宜的角度射入到流體中，需把元件故人聲楔中，構(gòu)成換能器整體（又稱探頭）。聲楔的材料不僅要求強度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機玻璃，因為它透明，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。封閉管道用超聲波流量計按測量原理分類有：時差法；多普勒效應(yīng)法；速差法；相關(guān)法；頻差法。2.1時差法聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會增大，逆流方向那么減小，同一傳播距離就有不同的傳播時間。利用傳播速度之差與被測流體流速之關(guān)系求取流速，稱之時差法流動方向換能器1Il流速方程式圖1健播時間法原理V

6、m所減慢，為:反之，超聲波順流從換能器2傳送到換能器1的傳播速度那么被流體流速加如圖1所示，超聲波逆流從換能器1送到換能器2的傳播速度c被流體流速快，為:式1減式2，并變換之，得式中L超聲波在換能器之間傳播路徑的長度，m;X傳播路徑白軸向分量，m;t12、t21從換能器1到換能器2和從換能器2到換能器1的傳播時間,s；c超聲波在靜止流體中的傳播速度，m/s;Vm流體通過換能器1、2之間聲道上平均流速，m/so時間差法與頻率差法和相差法問原理方程式的根本關(guān)系為-3：-總出皿(4)心m=期垢(5)式中頻率差；小相位差；f21,f12-超聲波在流體中的順流和逆流的傳播頻率；f超聲波的頻率。從中可以看

7、出，相位差法本質(zhì)上和時差法是一樣的，而頻率與時間有時互為倒數(shù)關(guān)系，三種方法沒有本質(zhì)上的差異。目前相位差法已不采用，頻差法的儀表也不多。g,二上CK4(6)式中K流速分布修正系數(shù)，即聲道上線平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比，K=vm/v;DN管道徑。K是單聲道通過管道中心即管軸對稱流場的最大流速處的流速分布修正系數(shù)。管道雷諾數(shù)ReD變化K值將變化，儀表圍度為10時，K值變化約為1%;圍度為100時，K值約變化2%。流動從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r，K值要變化約30%。所以要準(zhǔn)確測量時，必須對K值進展動態(tài)補償。1夾裝式換能器儀表聲道角的修正夾裝式換能器USF除了做流速分布修正外，必要時還要做

8、聲道角變化影響的修正。根據(jù)斯那爾Snall定律式7和圖2,聲道角8隨流體中聲速c的變化而變化，而c又是流體溫度的函數(shù)以水為例，見圖3，因此，必須對8角進展自動跟蹤補償，以到達溫度補償?shù)哪康摹?1n00血叫sin中式中2超聲在聲楔中的入射角；M、小一超聲在管壁、流體中的折射角；c0、cl、c聲楔、管壁、被測流體的聲速。8角不但受流體聲速影響，還與聲楔和管壁材料中的聲速有關(guān)。然而因為一般固體材料的聲速變化比液體聲速溫度變化小一個數(shù)量級，在溫度變化不大的條件下對測量準(zhǔn)確度的影響可以忽略不計。但是在溫度變化圍大的情況下例如上下溫換能器工作溫度圍-40-200C就必須對聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進展修

9、正。圖2外夾皖換能器超聲隹播邃接水中聲速;!)SO 40 配 80 I, do水中聲速和水源的關(guān)系2多聲道直射式換能器儀表的流量方程式直射式換能器儀表的流量方程沒有管壁材料折射溫度變化影響。多聲道儀表常用高斯積分法或其他積分法計算流量o圖4是以四聲道為例的原理模型，流量計算式8所示。28式中DN測量段與聲道垂直方向上的圓管平均徑或矩形管道的平均高;S-高斯修正系數(shù)；Wi-各聲道高斯積分加權(quán)數(shù)；Li各聲道長度；Vi各聲道線平均流速；6各聲道聲道角；N聲道數(shù)。3超聲波量計的特點眾所周知，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上

10、的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點，超聲波流量計均可防止。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價根本上與被測管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比一樣功能其它類型流量計的功能價格比越優(yōu)越。被認(rèn)為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用圍從2cm到5m,從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。另外，超

11、聲測量儀表的流量測量準(zhǔn)確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應(yīng)多種管徑測量和多種流量圍測量。超聲波流量計的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化開展，現(xiàn)已制成不同聲道的標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量。4.總結(jié)超聲波流量計有多種形式，從精度上看其順序為傳播速度差法、多普勒，頻差法適用于輔助測量或開關(guān)的監(jiān)視。典型的時差法，它得到了廣泛的應(yīng)用，但在用于含有很多氣泡或懸懸濁物的液體時存在著穩(wěn)定度的問題。在這樣的場合用多普勒法有利，可以用來測量下水、排水、泥水等。所有的方法都可以在不管是否有自由水面的條件下進展測量，但因為受流速分布的影響，直管段長度在上流側(cè)需要為1C20D,在下流