超聲流量計比對法是目前使用***多的一種液體流量儀表在線使用中檢驗的方法, 超聲流量計按檢測原理可分為多種, 主要有時差法、多普勒法和聲束偏移法, 其中在線使用中檢驗采用***多的是基于時差法的外夾式超聲流量計。

時差法超聲流量計利用流速不同會使超聲波在流體中傳播的速度發(fā)生變化, 通過分析計算改變的超聲波信號, 可以檢測到流體的流速, 進而可以得到流量值。通常認為聲波在流體中的實際傳播速度是由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度 (c_f) 和流體軸向平均流速 (v_m) 在聲波傳播方向上的分量組成。如圖1所示, 順流和逆流傳播時間與各量之間的關(guān)系是:

式中:

t_up為超聲波在流體中逆流傳播的時間;

t_down為超聲波在流體中順流傳播的時間;

L為聲道長度;

c_f為聲波在流體中傳播的速度;

v_m為流體的軸向平均流速;

φ為聲道角。

利用式 (1) 的兩個公式得出流體流速的表達式:

利用公式得出流體軸向平均流速后, 可以通過下式得出管道內(nèi)的流量:

式中:

A為管道內(nèi)截面積, m²。

ID為管道內(nèi)直徑, m。

i 為管道外周長, m;

d為管道壁厚, m。

通過數(shù)學(xué)模型, 可看出影響超聲流量計測量結(jié)果的因素包括聲速、管道內(nèi)流體的軸向平均流速、聲道長度、管道外周長和管道壁厚。

下面從這幾個方面討論具體應(yīng)用時需要注意的問題。

超聲流量計內(nèi)置多種流體可以選擇, 勾選流體類型和流體溫度后, 超聲流量計自動顯示相應(yīng)在該流體內(nèi)的聲速。如果超聲流量計內(nèi)沒有測量介質(zhì)的選項, 需要手動輸入聲速。

外夾式超聲流量計的傳感器安裝在管道外側(cè), 所以還須考慮管道對聲速的影響。需要正確地輸入管道的材質(zhì)、是否有內(nèi)襯及內(nèi)襯的材質(zhì)、管道及內(nèi)襯的厚度, 對于碳鋼等管材, 還需要考慮管道內(nèi)側(cè)銹蝕的因素, 管道內(nèi)壁銹蝕產(chǎn)生氣泡或銹蝕與管道形成間隙, 會對聲速測量形成較大影響。對于使用時間較長, 懷疑內(nèi)部銹蝕的管道, 選定測量位置后可以用榔頭輕輕敲擊, 可以使管道內(nèi)表面的銹蝕脫落, 吸附在管壁的氣泡也會被流體沖走, 減少對聲速測量的影響。

超聲流量計的原理是測量管道內(nèi)軸向平均流速, 從而推導(dǎo)出管道內(nèi)的流量, 保證軸向平均流速測量準(zhǔn)確可靠就顯得格外重要。

超聲流量計測量處的流體應(yīng)該是充分發(fā)展的紊流。要保證管道是滿管流動, 選擇超聲流量計安裝位置時水平走向的管道不要選擇在***高點的位置。如果超聲流量計安裝位置的管道不是水平走向, 則要選擇流體從下往上的管道, 保證管道滿管、無氣泡。

超聲流量計的流量測量建立在理想的速度分布基礎(chǔ)上, 如果管道內(nèi)的流速分布混亂, 則無法得到理想的測量結(jié)果。在選擇超聲流量計的安裝位置時, 應(yīng)避免選擇靠近閥門下游 (尤其不全開的閥門) 、靠近水泵處、變徑下游、彎頭下游。保證超聲流量計的上下游有足夠的直管段, 使得流體速度分布達到比較理想的狀態(tài), 才能保證測量得到的平均流速能真實反映管道內(nèi)流體的流速。

管道已知、超聲流量計的傳感器選定的情況下, 聲道長度僅和傳感器的安裝方式有關(guān)。超聲流量計傳感器的安裝方式主要有Z法安裝、V法安裝和W法安裝。

V法安裝使用的***為普遍, Z法安裝主要用于DN10以下小管道 (配合專用夾具) 和DN500以上的大口徑管道;V法安裝時兩個傳感器在管道同一側(cè), 兩個傳感器保證在與管道軸線平行的同一直線上相對容易;V法安裝時兩個傳感器分布在管道的兩側(cè), 同時傳感器與管道貼合點應(yīng)在包含管道軸線的同一平面上, 安裝時需要根據(jù)現(xiàn)場管道的走向選取傳感器的安裝位置。

選定超聲流量計傳感器安裝位置后, 需要對選定管段表面處理后測量管道外周長 (或外直徑) 。小口徑的管道可以測量外周長或者用游標(biāo)卡尺直接外管徑, 大口徑的管道只能測量外周長。用卷尺在安裝傳感器位置測量幾次, 選擇***小的值作為外周長。也可以用彈性小的細線繞管道, 在同一位置調(diào)整細線幾次, 得到***短長度, 再用卷尺測量這一長度。

選定傳感器安裝位置后, 需要對管道表面處理, 去除油污、表面油漆等, 并打磨光滑, 在換能器安裝位置均布幾個點, 使用測厚儀測量管道壁厚, 并取其平均值作為管道壁厚。對無法測量的參數(shù), 如管道材質(zhì)、襯里材料、厚度等, 根據(jù)現(xiàn)場技術(shù)資料查明并確認。

除上述因素, 具體使用中還應(yīng)注意以下方面:

(1) 在線比對用超聲流量計應(yīng)有有效的溯源證書, 其基本誤差應(yīng)不低于±0.5%;

(2) 在線比對用到的其他輔助設(shè)備, 如卷尺、測厚儀、秒表等計量器具均應(yīng)具有有效的檢定證書或校準(zhǔn)證書;

(3) 超聲流量計傳感器量值溯源是的管道口徑應(yīng)盡可能和現(xiàn)場使用的管道口徑一致, 如果口徑比值超過2倍或小于1/2, 還應(yīng)增加1個0.5%的附加誤差。