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    關于時差式超聲波流量計的工作真理及相關的應用技術步骤

    發表時間:2015-10-09   點擊次數:865 技術支撑:1560-1403-222

    超聲波流量計走進人類的生產活動中的歷史二十世紀的90年代,不過人類的掌控超聲波的產生技術要追溯到一十九世紀末到20世紀初,因為物理學上赢得了壓電效應與反壓電效應的發明突破之后以,解決了运用電子學技術產生超聲波的辦法,這對于超聲波未來的發展奠基了基礎,往后揭開了發展與推廣超聲技術的歷史篇章,当前超聲波技術已被廣泛運用于工程學、醫學、生物學等領域,人類的生產與糊口已經與超聲波技術密切相關。

    人們能聽到聲音是由于物體振動產生的,它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內,超過20KHZ稱為超聲波,低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。 超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩,有兩種形势:橫向振蕩及縱和振蕩。工業生產中的超聲波類型主要是縱向振蕩。

    超聲波能够在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度分歧。此外,它也有折射和反射現象,而且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波,其頻率低,一般為幾十KHZ,而在固體、液體中則頻率可用得高。在空氣中衰減較快,而在液體及固體中傳播,衰減較小,傳播較遠。人科运用超聲波的這種特征,做成了各種超聲傳感器,通過搭配各不相同的測量電路和計算單元,便不妨制成各種超聲測量儀器及裝置。

    氣體超聲流量計的應用二十世紀90年代,由于它的少少突出優點:測量準確度高、量程比寬、無壓 損、無可動部件、安裝使用費低等,受到用戶的歡迎。它是繼孔板流量計,渦輪流量計之后第三類適用于高壓、大口徑、高準確度的天然氣流量計。由于技術條件的 限制,畴昔人們考究的主要是 超聲波液體流量計 。隨著科學技術是電子技術及傳感器技術的發展,超聲波氣體流量計才日益受到人們的重視,并開始逐步走向實 用化、廣泛化。大部分由測量短管和插入管壁換能器組成一體的阵势出現,由于測量準確度低「1.5%F.S~2.O%F.S」,過去未能在價格昂貴的天然 氣貿易結算計量領域多量運用。現在它在天然氣工業中的成功應用己有突破性進展。

    因为準確度高和維修費用低,多聲道氣體超聲波流量計己被氣體工業界接受,它 是自氣體渦輪流量計后被氣體工業界接受的重要的氣體流量計量器具。至今已有較多國家的当局機構批準氣體超聲波流量計為法定計量器具。根據檢測的方式,可分為傳播速度差法、多普勒法等分歧類型的超聲波流量計。超聲波流量計適于不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量測量。

    自20世紀九十年代,氣體超聲波流量計 像一顆耀眼的新星起飞,出現多種型號準確度較高的氣體超聲波流量計,現已有多種測量技術,其主要產品有:時差式超聲波流量計、頻差式超聲波流量計、插入式超聲波流量計等。

    一、時差式超聲波流量計的基本工作原理與流量方程及組成部分

    (一)工作原理與流量方程

    超聲波流量計的基本原理是超聲波在流動的流體中傳播時,載上流體流速的信息,因而,通過對接收到的超 聲波進行測量,可能檢測出流體的流速,從而換算成流量。超聲波流量計由超聲波換能器、信號處理電路、單片機控制系統三部门組成。在有氣體流動的管道中, 超聲脈沖順流傳播的速度要比逆流時快;流過管道的氣體的速度越快,超聲順流和逆流傳播的時間大。分為時差式「測量順流和逆流傳播的時間差」、出入式 「測量順流和逆流傳播的相位差」、頻差式「測量順流和逆流傳播的循環頻率差」、多普勒超聲波流量計「以物理學中的多普勒效應為工作原理,適合于對兩相流的 測量」。
           流量計以測量聲波在流動介質中傳播的時間與流量的關系為真理。認為聲波在流體中的實際傳播速度是由介質靜止狀態下聲波的傳播速度和流體軸向平均流速「 Vm」在聲波傳播方向上的分量組成。按圖2-53所示,順流和逆流傳播時間與各量之間的關系是

    001

    式中:
    tup—超聲波在流體中逆流傳播的時間;
    t down —超聲波在流體中順流傳播的時間;
    L——聲道長度;
    C f ——聲波在流體中傳播的速度;
    Vm——流體的軸向平均流速;
    Φ——聲道角。

    002

    可利用上式的兩個公式得出流體流速的表達式

    003

    可以用相似的主意獲得聲波的傳播速度

    004

    測得的多個聲道的流體流速利用數學的函數關系聯合起來,可得到管道平均流速的估計值 ,乘以過流面積A,得到體積流量qv,如下式

    005

    其中:

    005

    式中:

    i——聲道數量。

    注:即使是給出了路徑的數目,但F(v1,…, vi,)的精確形式也會因聲道排列情況以及數值計算方法的不同而不同。

    (二)結構形式

    1.構成

    流量計主要由流量計表體、超聲波換能器及其安裝部件和信號處理單元組成。對于現場插入式和外夾式流量計,安裝換能器處的管道可做表體运用。插入式流量計的換能器直接與被測流體接觸,外夾式流量計的換能器緊密安裝在管道壁外。

    2.形式

    流量計按換能器安裝方式可分為插入式和外夾式兩種形势。

    插入式流量計根據換能器的數量差别,分為單聲道流量計,雙聲道流量計和多聲道流量計。

    流量計的輸出方式有脈沖輸出、模擬量輸出、數字通訊輸出等。

    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蘭部门組成。超聲波發射換能器將電能轉換 為超聲波能量,并將其發射到被測流體中,接收器接收到的超聲波信號,經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算,這樣實 現了流量的檢測和顯示。

    超聲波流量計常用壓電換能器。它运用壓電原料的壓電效應,拔取適當的發射電路把電能加到發射換能器的 壓電元件上,使其產生超聲波振勸。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,并經壓電元件變為電能,以便檢測。發射換能器利用壓電元件的逆 壓電效應,而接收換能器是使用壓電效應。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 電元件材料多选拔錯鐵酸鉛。為固定壓電元件,使超聲波以合適的角度射入到流體中,需把元件固定入聲道中,構成換能器整體「稱探頭」。

    超聲波流量計的電子線路包括發射、接收、信號處理和顯示電路。測得的瞬時流量和累積流量值用數字量或模擬量顯示。

    根據對信號檢測的道理,目前超聲波流量計可分傳播速率差法「包孕:直接時差法、時差法、相位差法、頻差法」波束偏移法、多普勒法、相關法、空間濾波法及噪聲法等類型。个中以噪聲法原理及結構簡單,便于測量和攜帶,價格低贱但準確度低,適于在流量測

    量準確度要求不高的場合运用。由于直接時差法、時差法、頻差法和相位差法的基本原理是通過測量超聲 波脈沖順流和逆流傳播時速度之差來反应流體的流速的,故統稱為傳播速率差法。个中頻差法和時差法战胜了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差,準確度高,是以 被廣泛选取。依照換能器的配置主意分别,傳播速率差法分為:Z法「透過法」、V法「反射法」、X法「交叉法」等。波束偏移法是使用超聲波束在流體中的傳 播对象隨流體流速變化而產生偏移來响应流體流速的,低流速時,靈敏度低適用性不大。多普勒法是使用聲學多普勒真理,通過測量不均勻流體中散射體散射的超 聲波多普勒頻移來確定流體流量的,適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。相關法是运用相關技術測量流量,原理上,此法的測量準確度與流體中的聲速無關, 于是與流體溫度、濃度等無關,于是測量準確度高,適用范圍廣。但相關器件價格貴,線路比復雜。噪聲法「聽音法」是利用管道內流體流動時產生的噪聲與流體 的流速有關的道理,通過檢測噪聲表示流速或流量值。其主意簡單,設備價格低廉,但準確度低。

    以上幾種想法各有特點,應根據被測流體性質。流速分布情況、管路安裝地點以及對測量準確度的要求等因 素進行選擇。一般說來由于工業生產中介質的溫度不能保持恒定,故多选择頻差法及時差法。只有在管徑很大時选拔直接時差法。對換能器安裝想法的選擇原則 一般是:當流體沿管軸平行流動時,選用Z法:當流動对象與管軸不平行或管路安裝地點使換能器安裝間隔受到限制時,选择V法或X法。當流場漫衍不均表前 直管段較短時,也可选拔多聲道「比方雙聲道或四聲道」來战胜流速擾動帶來的流量測量誤差。多普勒法適于測量兩相流,可避免常規儀表由懸浮粒或氣泡变成的 堵塞、磨損、附著而不能運行的弊病,因此得以迅速發展。隨著工業的發展及節能工作的開展,火油混合「COM」、煤水混合「CWM」燃料的輸送、應用以及燃 料油加水助燃等節能想法的發展,都為多普勒超聲波流量 計應用開辟廣闊前景。

    (三)計量性能要求

    表2-10為推薦的準確度等級系列,如选择非表中所列準確度等級,需在流量計產品說明書中及流量計銘 牌上昭示。流量計在qt≤q≤qmax的流量范圍內,其允許誤差應合适表一十的規定,在qmin≤q≤qt的流量范圍內,大允許誤差不超過表中規定 的大允許誤差的2倍。而且,對氣體流量計, qt對應由流速應不大于3m/s;對液體流量計, qt對應的流速應不0.3m/s。

    006

    (1)流量計系數調整

    連續兩次檢定之間流量計系數的調整量應不超過準確度等級所對應的大允許誤差的2倍。如超過,可降低該流量計的準確度等級直至滿足要求,或按檢定不及格處理。

    (2)重復性

    流量計的重復性不得超過相應準確度等級規定的大允許誤差**的1/3。

    「3」雙向測量的流量計兩個測量方向應進行檢定。

    「4」外夾式流量計應對每對探頭分別檢定,并盡量在與利用管徑的管徑下進行檢定。如利用管徑與檢定管徑之比二或小于1/2,使用時流量計應增补一個0.5%的附加誤差。

    (四)用途

    時間差法流量計用于單相液體或氣體的流量測量,多普勒流量計主要用于浊水流量測量。

    「五」多聲道超聲波聲速差法氣體流量計的意思

    多聲道超聲波速差法氣體流量計采用聲速差法,通過準確測量超聲波沿氣流順向及逆向傳播的聲速差,測量 各種口徑管道內穩態或脈動氣流的雙向流速、流量。具有測量、對氣體無流阻、無壓力損失、量程寬、測量結果不受氣體聲速、因素、壓力、溫度變化的影響、 對大管徑及脈動氣流能進行正確測量等優點,解決了目前大口徑大流量氣體缺乏準確、便捷計量霸术的難題。

    选取超聲檢測技術,通過測量超聲波沿氣流順向和逆向傳播的聲速差、壓力和溫度,算出氣體流速及標準狀態下氣體的流量。其意思如圖2-54所示。

    006

    圖中,假設管道內徑為D,兩換能器間的超聲傳播距離為L,超聲傳播宗旨與軸線之間的夾角為θ,則管道內換算成標準工況下的氣體流量q可表示為:

    007

    式中:

    t1、t2—分別為超聲波順向傳播聲時和逆向傳播聲時間;

    τ1、τ2—為超聲順向傳播和逆向傳播時電路、電纜及換能器等產生的聲延時間;

    P、T—為管道中實測的氣體壓方和溫度;

    Po、To—為標準工況下氣體的壓力和溫度。

    在實際應用中,流量計选拔了多聲道的办法來排除流速漫衍不均勻的影響。

    流量計由于采用了"多次測量時間間隔后均匀"、"過零電平檢測"、"提高超聲發射接收能力"、"盡可能高的時標頻率"及多聲道等技術步调,從而大大提高了儀器的測時及流量的準確度。

    (六)換能器信號傳播與接收

    超聲流量計 中选取壓電陶瓷材料做為換能器,它具有阻,而氣體的聲阻是低的,是以對于陶瓷換 能器向氣體輸送能量阻撓匹配是很困難的,至少工作過程是低效率的。接收信號的特性還與聲束傳播順流或逆流有關,各類流量計解決此問題采用差异的方案。傳統 的方法是應用低密度资料覆蓋于壓電陶瓷材料換能器的外表,以達到分歧阻撓的成家。此覆蓋層應穩定,應用此技術除耦合外可能改善結構問題。為了降低換能 器的振響,可附加一個吸收襯墊,此類換能器的頻率范圍為140kHz到180kHz。聚氟乙烯「PVDF」膜具有阻特点,它在伸張和支撐時有壓電 性質,能够做為發射器,亦可做為接收器的可逆工作方式。其缺點是對溫度敏感,于是其電子線路的增益必要隨時改變以適應它。換能器的一個工作難題是換能器需 面臨灰塵,在所有網狀系統中有极少灰塵,但在陳舊系統可能存在所謂塵暴。灰塵主要由氧化鐵和二氧化硅組成,當速度分布變化或其他擾動時氣流積聚它,它 對換能器的機械磨損以及喪失線性特性等方面有很大關系。

    對于流量計低流量時的準確度,換能器的線性度很重要,非線性特征在無流量時不妨引起兩方向的計時,結果實際上無流量出現流量顯示,所以換能器须要良好的線性度。灰塵附著于線性換能器的外观,可能使換能器具有区别的振幅而產生非線性。

    常用安裝方法:

    「1」平行雙聲道Z法「即一側換能器斜宗旨發射聲波到對面一側換能器接收」

    「2」雙聲V法反射,其特點是發射換能器發射聲束散射至對面一側換能器接收,放置于弦处所上。

    「3」單聲道V法「即發射聲波經對面管壁反射到同側另一換能器接收」傳播方式。

    「4」四聲道組合傳播聲波,兩個聲道是V法反射安放,為流量測量的基本信號;另兩個聲道之一的聲束是按直徑途徑傳播,之二的聲束是按三角形反射途徑傳播,作為流速散布修正的輔助信號。

    (七)精密計時技術

    假设要滿足規范要求的低流量的不確定度,雙向信號的計時不確定度為3ns。由于應用低功率 電源的限制,要達到它十分困難,10MHz的計時時鐘允許的直接計時僅lOOns。在計數周期內進行多量的測量有其優點。倘使測量是隨機性的, 允許測量有大的不確定度,其平均值仍可達到低的不確定度。流量計開發與達到要求的不確定度的平均值無關,這很不妨是因為在校準和測試時在短 周期內顯示特性本事的原由所在。

    1.脈沖重復性法

    在此技術中應用低頻時鐘,用多次傳送信號沿管道而下來增加測量時間。當*先個脈沖傳送沿管道而下計時 器啟動,達時進行檢測,接著馬上另一個脈沖同方向往下送,如此到幾百個脈沖。當目標脈沖達時計時器停止,這樣它測量的時間是一個脈沖傳送時間的幾 百倍。以是時鐘頻率能够降低幾百倍。

    2.相位法

    相位法是采用一個特制的發射二十四次正弦波的信號,它具有三分之二的纵贯反相。發射的信號是由 1.44MHz時鐘產生的,計數可低到180kHz,因而它會產生鎖相。一組數目為八只的電容器由時鐘開關接收信號,在相開關前一十六次周波時間內對來波進 行很好的平均。用一臺相位檢測器與此來波平均值進行,實測到逆向并停止采樣。這樣測量確定的時間是一個時鐘脈沖,但它不準確。探察到電容器上存儲波 形的相位,由模數轉換器讀出八個電容器上的每個電壓值。如果倒相停止,在接收信號相位開始時準確的收罗數據,則接收信號和驅動信號「和時鐘」同相位,時 鐘脈沖的積分值于被測的傳播時間。一般其間有一個相位差,它需用擬合步骤曲線來確定。可能認為它能做到信號的一個周期的千分之一,即達到幾納秒的準確 度。為了進行"相位展開",用一種分開的閾值比單脈沖換能器激勵的器直接測量傳播時間。

    3.時鐘周期插入法

    接收波形的一部分與時鐘速度同步進行數字化,此數據存儲起來。倘使計時從零線起,則易于得到時鐘脈沖 的積分值,它是在零線前完成的。然后進行插入法以得到零線上時鐘周期的份額。不妨用一種電壓發射器進行插入,發射器固定一個時鐘周期,這個電壓是在計 時瞬間采樣的。發射器的采樣電壓被大電壓除,它是所要求的時鐘周期的一部分。超聲在導管中傳播一般以一系列模式進行,這些模式的準確性質與導管的幾何形 狀亲密相關,假设它們的復雜性添补,其傳播速度降低。平面波是簡單模式,按此模式傳播。其他模式有截止的頻率,當低于此頻率后在導管中不再傳 播。假设一種模式接近于截止頻率,其速度趨于零。當經過導管傳播之后,接收到的波的形狀包括有許多模式的組合信號,它受到外延信號的影響。在管道中超聲 脈沖的傳播時間在沒有流量時兩個对象是的,有流體存在時,換能器產生的時間遲滯無論作為發射器或接收器是一樣的。

    由于當流量為零時兩個方向的傳播時間差必須很小,因此上下游傳播線路的時間延遲不能有差別,這點是很重要的,可接受的大的時間差為2ns。對于130kHz信號,當采用零線計時時,其相位的穩定性為0.1°, 這樣對于兩個分開的放大器在很寬的溫度范圍內工作要保持它是很嚴峻的。好有盡量多的公用線路以免發生延遲時間差,它會使零流速時測量惡化。在零流量時傳 播時間測量可能相等,但是靜止仍產生誤差,因為電子線路遲滯和換能器引起的遲滯ΔT,產生的流速測量誤差為2ΔT/To,To為靜止氣體的傳播時間。如果 它保持恒定,這就不嚴重,但是To隨氣體種類及溫度而變。當ΔT為2μs時誤差約為1%,從空氣到熱氣體聲速將發生變化,它大概變化1/4,即變化測量值 25%。

    消除換能器及其電子線路引起的遲滯的一種辦法是應用多次反射,它拔取時間差以抵消其。

    (八)單片機控制系統

    此刻單片機的技術比較老练,超聲波流量計主要拔取低功耗的超大規模集成電路—名副其實的單片機 「CPU、EPROM、RAM、I/O、A/D、D/A及計時器等集成在一個芯片」,采取低功耗的液晶顯示。采用單片機技術后做成IC卡式智能儀表很易 于與銀行系統聯網,實現購買后运用,解決拖欠賬問題,便于管理,易于實現遠程通信控制及宏觀調節。并且能够進一步開發多功能,如防盜氣、用氣記錄檔 案、家庭醫生等。

    二、超聲波流量計的性能特點

    ①無阻擋,無可動部件,無壓損,無示值漂移現象,量程寬;

    ②不受氣體壓力、溫度或組分變化的影響;

    ③不受氣體中固體顆粒和液滴的影響;

    ④重復性好,準確度高,線性好,可选拔多次反射并聲程加長;

    ⑤單片機系統有自檢測與自診斷功能,易于實現通信;

    ⑥于管軸線是**軸對稱的,不受安裝方位、速率分布和渦流的影響。

    三、超聲波流量計應用領域及前景

    ①天然氣工業的貿易輸送計量、氣體分拨、調合、控制、檢漏等方面;

    ②地下儲氣庫(雙向計量);

    ③過程工業中高價值氣體的計量、火電廠耗氣量等一般流量計量或檢測場合;

    ④作為常規貿易計量儀表的標準表。

    中國龐大的西氣東輸工程,建設成一條長達四千多公里的西氣東輸管道,是中國西部大開發標志性項目。準 確地進行天然氣流量測量是企業部門進行經濟解析、降低運行资本的關鍵一環,直接地影響著一個企業的經濟效益,倍受供需雙方關注。隨著全国能源供求日益緊 張,人們十分關心并尋求一種準確度高,適應性強的流量計來測量天然氣流量,以維護企業的利益。超聲波流量計自投放市場以來,與而今其他類型流量計比拟, 顯然有著高更好的职能特点,是以倍受人們青睞。近幾年,在北美及加拿大新建設幾條大型輸氣管道工程中,已開始用超聲波流量計。作為貿易計量,應用成果己 得到證實。近幾年來,我國先后從國內引進了超聲波流量計約幾十臺。我國流量界關注這一新型流量儀表。超聲波流量計計量準確度可達到0.5%,具有準 確度高、重復性好、量程比寬、抗干擾本事強、維修量小、可測雙向流等特點。為保證計量系統準確度,在現場运用前經實流測試校準。

    盡管超聲波流量計與如今利用廣泛的孔板流量計相比,有著更多的優點,主要反响在有雙向測量,大批程 比,無壓損,無可動部件、高準確度等。但由于孔板流量測量技術歷史悠久,標準化水平高,利用簡單可靠,一般無特殊要求時標定等特點。由此可見,盡管超 聲波流量計己問世,它只能起到補充功用,不不妨举座替代孔板。在以来相當長一個時期內,因为種種因素的制約,特別是標定不能獲得停当解決之前,孔板流量計 是天然氣計量主要权术之一。

    四、定期標定問題

    任何一種新型流量計要獲得工業化應用和認可都要歷經一個相當長的過程,這因為人們一方面對它的認識要 有過程,另一方面流量計本身與應用中所暴露出來的問題,要得到滿意的解決也要有過程。從超聲波流量計的結構和測量原理來看,這種速度型流量儀表可以實現" 干標"(即是靜態標定)。這是因為流量計腔體幾何尺寸D和聲道長度尺寸L和X值(X代表傳感器間的軸向長度),利用目前的測量技術及手段,幾何尺寸是可以 獲得準確測定。如果電子電路和傳感器的性能獲得準確測量,傳感器組件的電氣特性穩定并具有可互換性,那么"干標"就可獲得實際的應用。然而,目前仍沒有足 夠技術措施和理由來證明這一點,也就是未就"干標"達成共識。當前,在北美、南美、歐洲,對貿易計量的超聲波流量計供需雙方都要求有足夠的測量準確度,基 于合同雙方這一要求,可信賴辦法還是要動態標定。對于口徑較小的氣體超聲波流量計, DN<300mm等于利用目前國內外已建標準裝置進行標定已可以辦到;對于口徑大于DN300mm, 高壓大流量標準裝置目前還很難辦到。從實際應用角度出發,將流量計從現場卸下來運到標定中心去標定,對于用戶來講是一種極大的負擔,而且每標定一次費用是 相當高的,相比之下大口徑流量計其費用占有更高百分比。從制造廠角度來看,為了使流量計的測量誤差或系統誤差達到小,為了滿足準確度,出廠前要進行標 定,這將產生附加的產品成本。由于管徑、壓力、投資及標定系統運行費用等多方面原因和所需考慮的條件,目前世界上很難找到有幾套裝置能標定DN300mm以上的超聲波氣體流量計。這無疑將制約大口徑氣體超聲波流量計的應用和中小口徑氣體超聲波流量計的廣泛使用。鑒于這一情況,在選用氣體超聲波流量計時一定要權衡利弊,特別是要考慮到流量計定期標定問題。

    "干標"與實流標定分别,它不是运用標準表或裝置來檢查所用流量計的結果。為了解決標定問題,為流量計廣泛运用鋪平途径,國內超聲波流量計制造廠家致力于"干標"法的查究。此刻,一般產品出廠前無特別要求是选拔"干標"法,主要包孕:

    ①流量計幾何尺寸的檢定。為保證流量計的準確度,聲道L和聲道與管軸間夾角是非常重要的參數,準確控制測量衙役將改善準確度,這一點在当前條件下是能够采取高性能設備獲得。準確的幾何尺寸是供给電子線路組態的基礎。

    ②電子線路與傳感器职能測試。一方面是檢測其职能指標是否适合設計規定要求,重要是復核其职能指標穩定性,即電子部分的穩定度是否滿足要求。電子線路和傳感器职能穩定度是超聲波流量計實現"干標"和傳感器具有良好互換性的關鍵。這是而今能否實現"干標"的關鍵。

    ③零流量檢查。當沒有流量時,流量計的示值應當為零,而且應當有良好的重復性。

    ④聲速/聲程標定,當氣體的溫度、壓力和氣體組分保持不變時,不管流量多少,聲速將是恒定值。為了獲 得準確的聲速值,流量計用一種帶恒壓和己知組分的氣體。在目前條件下,一般要按用戶提供組分進行這一標定是很困難,能辦到費用也很高,況且一般用戶在實際 使用流量計時組分是有變化的。為此,一般采用諸如純N2氣(99.995%)作為試驗介質來進行這一工作。研究和試驗介質壓力、溫度及組分變化給聲速帶來影響和修正是十分必要的。

    從比年的發展看,氣體超聲波流量計具有從理論上無需進行流量標定、與檢測介質無關等無可比擬的優點, 但是還要實際驗證,現正走向實用化。國內少少著名儀表公司批量生產,包孕用于主管道的大口徑流量計和家用燃氣表積累了多的應用經驗,其價 格將降低,能够預測它占据較大的市場。隨著我國天然氣工業的發展,超聲波流量計在天然氣工業領域中預計有巨大的應用前景。

    超聲流量計的工業應用已有約四十年歷史,畴昔主要是在液體方面的應用,因为氣體聲能衰減較大,在氣體 方面的應用遇到很大困難。80年代以來,由于數字信號處理技術和的壓電陶瓷技術的發展,使氣體超聲流量計測量天然氣技術有突破性進展,连年來,它 的研發呈加速發展之勢。國內標準化組織ISO發布ISO/TR 12765「用時間傳播法超聲流量計測量封閉管道內的流體流量」,美國1998年頒布了AGA NO.9「用多聲道超聲流量計測量天然氣流量」總結了階段成就,目前澳大利亞和歐洲各國正在進行制订國家標準和國內標準的準備工作。

    與孔板、渦輪流量計比拟,氣體超聲流量計確實很年輕,許多實用問題在搜求中,但是它的潛力,優勢是明顯的,近年建成的天下大容量的天然氣實流校驗裝置「加拿大TCC裝置」选拔它作為輔助標準表。當然,它是氣體渦輪流量計的帮手。

    氣體超聲流量計有以下幾個特點引起人們的重視:

    「1」提出解決流體流動特性對流量計特性影響的新办法

    推理式流量計的特点受流體流動特征的影響,是現場測量附加誤差添补的一個主要原因,它是此類流量計試 驗查究的主題之一。但是由于現場阻流件類型的復雜性,流速廓形畸變,旋轉流以及脈動流等類型千變萬化,孔板流量計花了數十年時間,耗費大批人力、物力進行 試驗,其效果仍不能滿足現場的须要,其他類型流量計的查究試驗仍在大力進行中。近年出現的多聲道氣體超聲流量計,它利用多聲道構建層析網絡,然后應用計算 機技術進行補償赢得良好效果,這是一種應用軟測量技術解決問題的方法,它與孔板流量計等选取對號入座式對阻流件試驗的主意有較好的技術經濟 性。

    (2)流量計的干標技術

    流量計可實施干校「實流校驗」是儀表性的標志,所有類型流量計在谋求實行干標,但是并非全 部流量計可實現。干標給儀表制造廠和用戶帶來巨大的經濟利益,是用戶可解除厥后顧之憂,試想,一臺高壓大口徑流量計需定期實行實流校驗,其是 大的。超聲流量計因为其自身工作真理的特點,實行干標獨具優勢,研究表明,氣體超聲流量計實行干標是具体不妨的,對于時間傳播法,它可由時間和長度二 個參數進行干標,求得流量計的儀表系數。

    (3)流量計的計量溯源性

    因为流量參數的動態性質,儀表準確度存在較大問題之一是計量溯源性。國內上還沒有公認的流量量值 的實物標準,流量量值的統一选择裝置實現。流量量值的原級標準是一座流量標準裝置,在裝置上把各基本量「長度、質量、時間及溫度」綜合為導出量—流 量,然后把流量量值傳遞給一臺或一組流量汁,稱為傳遞標準「流量量值的載體」,借助傳遞標準把量值傳遞工作儀表。由此可見,原級標準是一種固定裝置,其 特點與流量計有較大,不僅標準沒有移動性,它亦無法實際反映流量參數的動態性質。假使能夠在一臺流量計上把基本量綜合為導出量,它將是一臺原級標準。 時間傳播法超聲流量計的流量方程主要由三個基本量組成:時間和長度。現在國內上有些專家注意到這個特點,認為超聲流量計存在成為原級標準的可能,倘若這 不妨變為現實,則流量測量技術將產生新型的變化。

    主要優點:
    ①無阻礙物,無可動部件,壓損小,無示值凜移現象;
    ②量程比寬「40:1~200 :1」;
    ③不受氣體壓力、溫度或組分變化的影響;
    ④不受氣體中固體顆粒和液滴的影響;
    ⑤重復性好,準確度高,線性好「选取了散布合理的多反射并將聲程加長的技術」;
    ⑤有強大的自檢測與自診斷功能「超聲換能器發射功率自動增益控制,測量有效性及采樣百分比監測功能」;
    ⑦全數字式計量系統,易于實現數字通讯;
    ? 超聲換能器可工作在O.lMPa「表壓」至15MPa「表壓」的壓力范圍內;
    ⑨拔取單反射比雙反射與普通傳統聲道的超聲流量計相聲道大了6倍,使測量誤差減少一半以上;
    ⑩的聲道安顿合理,可造成密閉的超聲層析網絡,于管軸線是**軸對稱的,不受安裝方位,速度散布和渦流的影響;
    維護簡單,可帶壓更換超聲換能器;
    可精確測量雙向流和脈動流;
    氣體超聲流量計的應用場合:
    ①貿易輸送計量;
    ②地下儲氣庫(雙向計量);
    ③氣體壓縮機控制,氣體處理廠,計量和調壓站,過程工業中高價值氣體的計量、火電廠耗氣量計量等一般流量計量或檢測場合;
    ④作為常規貿易計量儀表的檢定標準表。
    (本文由潤中儀表科技有限公司整理發布)




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