中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司計(jì)量處　任翠平

　　時(shí)差式超聲波流量計(jì)的應(yīng)用技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，以其安裝方便，維護(hù)量小，適用量程范圍廣，無(wú)接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)。根據(jù)管徑及介質(zhì)特點(diǎn)，首次在我廠大口徑循環(huán)水管道(我廠供化纖循環(huán)水管線管徑為DN1620)和其它五個(gè)循環(huán)水檢測(cè)點(diǎn)上選用了康樂(lè)創(chuàng)生產(chǎn)的夾裝時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它克服了插入式電磁流量計(jì)應(yīng)用在大口徑管道中存在的儀表故障率高，計(jì)量不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，滿足了計(jì)量的需要?，F(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)將這種超聲波流量計(jì)的特性及應(yīng)用中可能影響測(cè)量準(zhǔn)確度的一些問(wèn)題分析如下。

　　一、測(cè)量原理

　　時(shí)差式超聲波流量計(jì)用于測(cè)量液體流速對(duì)雙向聲波信號(hào)的影響。它的兩個(gè)換能器(T1、T2)以一定的間距安裝在管壁外，交替發(fā)射和接收超聲波。當(dāng)聲波在靜止的流體中傳播時(shí)，從T1到T2的聲波信號(hào)傳送時(shí)間與從T2到T1的傳送時(shí)間相同；當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，上游換能器T1向下游換能器T2發(fā)射一個(gè)信號(hào)，同時(shí)下游也向上游發(fā)射信號(hào)，而流體流速對(duì)聲波信號(hào)的作用，將加快從上游到下游方向的信號(hào)速度，同時(shí)減慢從下游到上游方向的信號(hào)速度，兩個(gè)信號(hào)之間產(chǎn)生了時(shí)間差，由此求得液體的流速，再與圓管的流通截面積相乘，計(jì)算出流量。流體流速的基本計(jì)算公式為:

　　Vf=Kdt/TL
　　式中:Vf——流速；K——標(biāo)定系數(shù)；dt——上下游換能器測(cè)量出的時(shí)間的差；TL——測(cè)量出的聲波平均穿過(guò)流體的時(shí)間。
　　測(cè)量原理如圖1所示:

圖1 時(shí)差式超聲波流量計(jì)測(cè)量原理圖

　　二、時(shí)差式超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

　　1.超聲波流量計(jì)由換能器和轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成。換能器可安裝在被測(cè)管道的外壁上，無(wú)需將管道截?cái)嗷蛄黧w停流。這是一種非接觸式測(cè)量，不阻擾管道內(nèi)流體的流動(dòng)，無(wú)壓力損失、無(wú)介質(zhì)泄漏，并且對(duì)介質(zhì)的導(dǎo)電性和腐蝕性沒有任何要求，儀表安裝簡(jiǎn)單、操作方便。量程范圍廣，適合各種口徑的管道，節(jié)省安裝費(fèi)用。智能度高，儀表維護(hù)量小。
　　2.采用智能型計(jì)算器，大容量的數(shù)據(jù)記錄儀，有200KB到1MB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以存儲(chǔ)流量測(cè)量的歷史數(shù)據(jù)，便于判斷儀表故障，方便計(jì)量結(jié)算。
　　3.具有檢測(cè)和指示含氣量的功能，可以配合工藝操作。
　　4.系統(tǒng)設(shè)有自診斷功能，可以對(duì)管道中流體狀態(tài)進(jìn)行分析。當(dāng)測(cè)量條件滿足工作要求后，能自動(dòng)恢復(fù)原工作狀態(tài)。
　　5.儀表性能穩(wěn)定，一般的時(shí)差式流量計(jì)準(zhǔn)確度為1%～2%，可以滿足循環(huán)水測(cè)量的需要。

　　三、影響流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的因素

　　1.上下游直管段對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響
　　標(biāo)定系數(shù)K是雷諾數(shù)的函數(shù)，流體從層流過(guò)渡到紊流，流速分布不均勻，標(biāo)定系數(shù)K將產(chǎn)生較大的變化，引起測(cè)量準(zhǔn)確度下降，根據(jù)生產(chǎn)商要求，換能器應(yīng)安裝在上游直管段為10D，下游直管段為5D的位置，對(duì)于上游存在泵、閥等設(shè)備時(shí)直管段的長(zhǎng)度，要求“距離紊流、震動(dòng)、熱源、噪音源和射線源越遠(yuǎn)越好”。我廠在試用該種流量計(jì)時(shí)曾遇到了上述問(wèn)題，有一臺(tái)流量計(jì)因?yàn)閾Q能器上游有泵存在，而且換能器安裝位置上游直管段不足10D，造成測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)大，一直不穩(wěn)定，通過(guò)查詢有關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，日本JEMIS(日本電氣測(cè)量?jī)x器工業(yè)會(huì))的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此有明確要求，如果換能器安裝位置的上游有泵、閥等設(shè)備，要求直管段為30D以上。
　　因此，直管段長(zhǎng)度是保證測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素。

　　2.管道參數(shù)設(shè)置對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響
　　管道參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確與否，與測(cè)量準(zhǔn)確度關(guān)系密切。如果管道材質(zhì)及尺寸的設(shè)置與實(shí)際管道尺寸不相符，將使理論管道流通截面積與實(shí)際流通截面積產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致最終結(jié)果不準(zhǔn)確，另外，換能器之間的發(fā)射間距是根據(jù)流體(聲速、動(dòng)力粘度)、管道(材質(zhì)和尺寸)、換能器的安裝方式(V法或Z法)等各種參數(shù)綜合運(yùn)算的結(jié)果，換能器的安裝距離產(chǎn)生偏差，也會(huì)引起很大的測(cè)量誤差。其中管道內(nèi)徑的設(shè)置和安裝距離對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度影響比較突出，據(jù)有關(guān)資料介紹，若管道內(nèi)徑誤差±1%，則引起約±3%的流量誤差；若安裝距離誤差±1mm將產(chǎn)生±1%以內(nèi)的流量誤差，圖2為不同管道內(nèi)徑誤差±1mm對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響:

圖2 不同管道內(nèi)徑誤差±1mm對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

　　可見，只有正確設(shè)置管道參數(shù)，換能器才能安裝準(zhǔn)確，減少管道參數(shù)設(shè)置對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。

　　3.換能器安裝位置對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響
　　換能器的安裝有反射式(V型)和直射式(Z型)兩種方式，如圖3所示:

圖3 換能器安裝方式

　　利用Z法安裝聲束行程短，可以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。我廠用于測(cè)量化纖循環(huán)水的兩臺(tái)流量計(jì)先后采用了兩種方式進(jìn)行安裝，Z法的測(cè)量效果明顯優(yōu)于V法，而且另外五個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都采用Z法安裝，測(cè)量效果比較好。
　　另外，換能器必須安裝在與管線正切的方向，否則會(huì)影響聲波的發(fā)射和接收，進(jìn)而影響測(cè)量準(zhǔn)確度。

　　4.含氣量對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響
　　含氣量對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)也有很大影響。不溶氣體具有非常低的聲阻抗，可能造成聲束分散。含氣量大時(shí)，將減小聲波信號(hào)的強(qiáng)度。Vaer是該流量計(jì)表征含氣量的參數(shù)，通常狀態(tài)下Vaer<50，我廠用于測(cè)量化纖循環(huán)水的兩臺(tái)流量計(jì)的換能器安裝位置不好，一臺(tái)泵前有一個(gè)大晾水池，泵距換能器間直管段小于10D，測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；另一臺(tái)泵距換能器間直管段距滿足了10D的要求，測(cè)量數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。由于工藝操作的需要，每半個(gè)月循環(huán)水中要加入一次剝離劑，管道中含氣量大量增加。泵至換能器前直管段太短，氣泡嚴(yán)重影響測(cè)量，流量計(jì)停止工作，其間大概持續(xù)兩天時(shí)間。工況恢復(fù)正常時(shí)，流量計(jì)自動(dòng)恢復(fù)工作(為了證實(shí)這一狀況，同一時(shí)間，我們?cè)枚嗥绽帐匠暡髁坑?jì)測(cè)量，可以正常工作，而且指示含量大)。
　　因此，要消除含氣量，必須保證換能器前后直管段的長(zhǎng)度。

　　5.耦合劑對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響
　　為了保證換能器和管道充分接觸，安裝換能器時(shí)需要往管道表面均勻地涂一層耦合劑，一般厚度為(2～3)mm。應(yīng)將耦合劑內(nèi)的氣泡和顆粒擠出去，換能器的發(fā)射面應(yīng)緊密的貼在管壁上。測(cè)量循環(huán)水的流量計(jì)大多安裝在水井中，安裝環(huán)境潮濕，有時(shí)會(huì)被水淹，如果選用一般的耦合劑，在很短時(shí)間內(nèi)便會(huì)失效，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。因此，必須選用特制的防水耦合劑。

　　耦合劑有使用有效期，據(jù)生產(chǎn)商介紹，一般耦合劑可以使用18個(gè)月，因此，為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度，每18個(gè)月應(yīng)該重新安裝換能器，更換耦合劑。
　　上述分析表明，時(shí)差式超聲波流量計(jì)應(yīng)用于大口徑管道循環(huán)水流量的測(cè)量具有明顯的優(yōu)越性。但是，超聲波流量計(jì)的應(yīng)用有一定的條件，只有在使用前了解儀表的性能標(biāo)準(zhǔn)及安裝要求，選擇良好的安裝位置和滿足安裝條件的管道，正確安裝、使用和維護(hù)，才能獲得滿意的應(yīng)用效果。