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1、多声道超声波流量计的原理及应用摘 要:随着电子与传感器技术的发展,超声波测流技术日趋完善,并在许多行业的测流工程中得到了广泛的应用。该文介绍了超声波测流原理及7510Plus多声道时差超声波流量计的原理结构与应用。 超声波测流的最大优点是非接触式,对被测介质无干扰、无污染。因此,超声波流量计被广泛地应用于水利、电力、石油、化工、自来水及食品等行业。 1 超声波测流原理 1.1 单声道超声波流量计原理 超声波流量计按测量原理可分为:时差法、多普勒频移法、相位差法和噪音法等,这些方法各有特点,可根据待测对象及要求的精度进行选择。由
2、于时差法测量精度高、抗干扰强及使用方便等,因此,在水电站、泵站和大型输水供水工程测流中得到了广泛的应用。 时差法超声波流量计(TransitTimeUltrasonicFlowmeter)的测流原理如图1所示。利用1对超声波换能器相向交替或同时收发超声波,通过测量超声波在介质中的顺流和逆流传播的时间差,然后通过公式计算出流体的流速,再间接计算流量。 2只换能器(传感器)分别安装在流体管线的两侧,并相隔一定的距离。假设,管线的内径为D,超声波行走的路径长度为L,2个换能器在管线方向上的间距为X,超声波顺流传播的时间为tu,逆流传
3、播的时间为td,超声波传播方向与流体流动方向的夹角为θ,则td、tu、△t可用下式表示: 式中 c为超声波在非流动介质中的声速;V为流体介质的流动速度。 为了简化,假设流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即: 则式(2)可简化为 即流体的流速为: 由此可见,流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。测出流体的流速,根据测量处流体的截面积就可以算出流过测量断面的流量。 1.2 多声道超声波流量计原理 多声道超声波流量计测流原理与单声道超声波流量计基本相同,只是测流时在流量的断面上布设了多个传感器。通过
4、精确地测量各声道上超声波沿水流顺向及逆向传播的时差,用加权积分的方法计算出流量,其原理如图2所示。由于大口径管道内各点的流速是不同的,如果用1个点的流速计算流量,误差往往很大。应用多声道超声波流量计就解决了这一难题,并大大地提高了流量的测量精确。 图中,管道内径为D,2换能器间的超声传播距离为L,超声传播方向与轴线之间的夹角为θ,超声波流量计测量超声脉冲沿若干倾斜声路穿过运动流体的传播时间并据此导出各声路上的平均流体速度。声路的数目与安装位置以及用来计算流量的数学公式取决于过流道的形状、大小及所需的测量精度。在大多数情况下,不需
5、要通过与其它测流方法的对比来校准。在实际应用中,通常采用多声道的方法来消除流速分布不均匀的影响。 2 超声波流量计的构成及特点 图3是超声波流量计的原理框图,主要由2个超声波发射单元、1个时间测量单元和1个控制器共同完成超声波的发射、接受和时间差的测量等工作。其他的外围单元主要是完成参数设定、数据的输出、显示和传送等功能。 7510Plus超声波流量计具有测量速度快;对流体无流阻、无压力损失,量程宽(0.2~90m);测量结果不受流体成分、压力、温度变化的影响,测量精度高(±0.5%);大口径(最大测量管径为15m,明渠渠宽可达1
6、00m);测量管段短(只需有1倍直径管段即可);适应性强(可用于钢管、砼管、明管、暗管、涵洞、明渠等条件下的满与非满管测量);易扩展(单台流量计可同时测16个单元的流量),可根据管路条件及对测量精度的要求,分别采用2、4或8声道任意组合。 对经常充满水的流道,流量计可以配置为“管道”模式,通过设定描述声路长、声路角和符合ASME或IEC规程的加权系数的参数,用多声路积分方法即可实现流量计算。对于其它流道,通常使用“复合”模式。管道测量声路的安装如图4所示,明渠测量声路的安装如图5所示。 7510Plus流量计具备功能强大的后处理
7、系统,有多种信号检测技术可选;便捷的多参数输入菜单,方便运行人员进行输入、修改和查询;实时的多变量显示,对现场运行状态一目了然,以及提供完善的接口(模拟量,开关量,RS-232/485,MODbus等)。 3 超声波流量计的应用 在工程实际应用中,换能器的安装精度对整个测量精度有直接的影响,因此,必须根据现场的工作环境,正确地安装换能器才能够保证测量的精度。 我们应用超声波流量计对某二级水电站水轮机组的流量特性进行了现场测试,水轮机通过压力钢管引水,现场环境满足超声波测流条件,测试的流量特性曲线如图6所示。 4 结语 广东省
8、水利试验基地从美国ACCUSONIC公司引进了1套大口径时差式7510Plus多声道超声波流量计,这一设备的引进将极大地提高我省在大型水电站、泵站和输水供水工程中的测流水平及水力机械效率的测试手段。 参考文献: [1
