产品搜索
销售服务热线:400-9280-163 1560-1403-222
  • 产品展示
  • 主导产品
    磁翻板液位计
    磁浮球液位计
    浮球液位开关、控制器
    法兰式液位变送器
    智能电容式液位计
    投入式液位计、变送器
    雷达液位计
    玻璃管液位计
    锅炉双色水位计
    电磁流量计
    涡街流量计
    液体涡轮流量计
    超声波流量计
    孔板流量计
    金属管浮子流量计
  • 全国销售热线:400-9280-163
    电话:86 0517-86917118
    传真:86 0517-86899586
    销售经理:1560-1403-222 (丁经理)
              139-1518-1149 (袁经理)
    业务QQ:2942808253 / 762657048
    网址:https://www.harzkj.com

      公司资质   合作案例
    产品说明书下载专区
    磁翻板液位计说明书选型
    液位变送器说明书选型
    浮球式液位计说明书选型
    投入式液位计说明书选型
    雷达液位计说明书选型
    射频导纳液位计说明书选型
    重锤式料位计说明书选型
    电容式液位计说明书选型
    浮标液位计说明书选型
    浮球液位开关说明书选型
    电磁流量计说明书选型
    超声波流量计说明书选型
    涡轮流量计说明书选型
    涡街流量计说明书选型
    金属管流量计说明书选型
    V锥流量计说明书选型
    孔板流量计说明书选型
    楔形流量计说明书选型

    关于时差式超声波流量计的工作原理及相关的应用技术措施

    发表时间:2015-10-10   点击次数:  技术支持:15601403222

    超声波流量计走进人类的生产活动中的历史大概始于20世纪的90年代,不过人类真正的掌控超声波的产生技术还要追溯到19世纪末到20世纪初,因为物理学上取得了压电效应与反压电效应的发明突破之后以,解决了利用电子学技术产生超声波的办法,这对于超声波未来的发展奠定了基础,自此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章,目前超声波技术已被广泛运用于工程学、医学、生物学等领域,人类的生产与生活已经与超声波技术密切相关。 

    人们能听到声音是由于物体振动产生的,它的频率在20HZ-20KHZ范围内,超过20KHZ称为超声波,低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵和振荡(纵波)。工业生产中的超声波类型主要是纵向振荡。 

    超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波,其频率较低,一般为几十KHZ,而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快,而在液体及固体中传播,衰减较小,传播较远。人科利用超声波的这种特性,做成了各种超声传感器,通过搭配各不相同的测量电路和计算单元,便可以制成各种超声测量仪器及装置。 

    气体超声流量计的应用始于20世纪90年代,由于它的一些突出优点:测量准确度高、量程比宽、无压 损、无可动部件、安装使用费低等,受到用户的欢迎。它是继孔板流量计,涡轮流量计之后第三类适用于高压、大口径、高准确度的天然气流量计。由于技术条件的 限制,以前人们研究的主要是超声波液体流量计。随着科学技术特别是电子技术及传感器技术的发展,超声波气体流量计才日益受到人们的重视,并开始逐步走向实 用化、广泛化。大部分由测量短管和插入管壁换能器组成一体的形式出现,由于测量准确度较低(1.5%F.S~2.O%F.S),过去未能在价格昂贵的天然 气贸易结算计量领域大量运用。现在它在天然气工业中的成功应用己有突破性进展。 

    由于准确度高和维修费用低,多声道气体超声波流量计己被气体工业界接受,它 是自气体涡轮流量计后被气体工业界接受的重要的气体流量计量器具。至今已有较多国家的政府机构批准气体超声波流量计为法定计量器具。根据检测的方式,可分为传播速度差法、多普勒法等不同类型的超声波流量计。超声波流量计适于不易接触和观察的流体以及大管径流量测量。 

    自20世纪90年代,气体超声波流量计 像一颗耀眼的新星骤然升起,出现多种型号准确度较高的气体超声波流量计,现已有多种测量技术,其主要产品有:时差式超声波流量计、频差式超声波流量计、插入式超声波流量计等。

    一、时差式超声波流量计的基本工作原理与流量方程及组成部分

    (一)工作原理与流量方程

    超声波流量计的基本原理是超声波在流动的流体中传播时,载上流体流速的信息,因此,通过对接收到的超 声波进行测量,就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。超声波流量计由超声波换能器、信号处理电路、单片机控制系统三部分组成。在有气体流动的管道中, 超声脉冲顺流传播的速度要比逆流时快;流过管道的气体的速度越快,超声顺流和逆流传播的时间差越大。分为时差式(测量顺流和逆流传播的时间差)、相差式 (测量顺流和逆流传播的相位差)、频差式(测量顺流和逆流传播的循环频率差)、多普勒超声波流量计(以物理学中的多普勒效应为工作原理,适合于对两相流的 测量)。
           流量计以测量声波在流动介质中传播的时间与流量的关系为原理。通常认为声波在流体中的实际传播速度是由介质静止状态下声波的传播速度和流体轴向平均流速( Vm)在声波传播方向上的分量组成。按图2-53所示,顺流和逆流传播时间与各量之间的关系是

    001

    式中:
    tup——超声波在流体中逆流传播的时间;
    tdown——超声波在流体中顺流传播的时间;
    L——声道长度;
    Cf——声波在流体中传播的速度;
    Vm——流体的轴向平均流速;
    Φ——声道角。

    002

    可利用上式的两个公式得出流体流速的表达式

    003

    也可以用相似的方法获得声波的传播速度

    004

    将测得的多个声道的流体流速利用数学的函数关系联合起来,可得到管道平均流速的估计值 ,乘以过流面积A,即可得到体积流量qv,如下式

    005

    其中:

    005

    式中:

    i——声道数量。

    注:即使是给出了路径的数目,但F(v1,…, vi,)的精确形式也会因声道排列情况以及数值计算方法的不同而不同。

    (二)结构形式

    1.构成

    流量计主要由流量计表体、超声波换能器及其安装部件和信号处理单元组成。对于现场插入式和外夹式流量计,安装换能器处的管道可做表体使用。插入式流量计的换能器直接与被测流体接触,外夹式流量计的换能器紧密安装在管道壁外。

    2.形式

    流量计按换能器安装方式可分为插入式和外夹式两种形式。

    插入式流量计根据换能器的数量不同,分为单声道流量计,双声道流量计和多声道流量计。

    流量计的输出方式有脉冲输出、模拟量输出和数字通讯输出等。

    超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统兰部分组成。超声波发射换能器将电能转换 为超声波能量,并将其发射到被测流体中,接收器接收到的超声波信号,经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算,这样就实 现了流量的检测和显示。

    超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应,采用适当的发射电路把电能加到发射换能器的 压电元件上,使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播,然后由接收换能器接收,并经压电元件变为电能,以便检测。发射换能器利用压电元件的逆 压电效应,而接收换能器则是利用压电效应。超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片,沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍,以保证振动的方向性。压 电元件材料多采用错铁酸铅。为固定压电元件,使超声波以合适的角度射入到流体中,需把元件固定入声道中,构成换能器整体(又称探头)。

    超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。

    根据对信号检测的原理,目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括:直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。其中以噪声法原理及结构简单,便于测量和携带,价格便宜但准确度较低,适于在流量测

    量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声 波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速的,故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差,准确度较高,所以 被广泛采用。按照换能器的配置方法不同,传播速度差法又分为:Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传 播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的,低流速时,灵敏度很低适用性不大。多普勒法是利用声学多普勒原理,通过测量不均匀流体中散射体散射的超 声波多普勒频移来确定流体流量的,适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量,原理上,此法的测量准确度与流体中的声速无关, 因而与流体温度、浓度等无关,因而测量准确度高,适用范围广。但相关器件价格贵,线路比较复杂。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体 的流速有关的原理,通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单,设备价格便宜,但准确度低。

    以上几种方法各有特点,应根据被测流体性质。流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因 素进行选择。一般说来由于工业生产中介质的温度常不能保持恒定,故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则 一般是:当流体沿管轴平行流动时,选用Z法:当流动方向与管轴不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时,采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前 直管段又较短时,也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流,可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的 堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病,因而得以迅速发展。随着工业的发展及节能工作的开展,煤油混合(COM)、煤水混合(CWM)燃料的输送和应用以及燃 料油加水助燃等节能方法的发展,都为多普勒超声波流量 计应用开辟广阔前景。

    (三)计量性能要求

    表2-10为推荐的准确度等级系列,如采用非表中所列准确度等级,需在流量计产品说明书中及流量计铭 牌上明示。流量计在qt≤q≤qmax的流量范围内,其大允许误差应符合表10的规定,在qmin≤q≤qt的流量范围内,大允许误差不超过表中规定 的大允许误差的2倍。并且,对气体流量计, qt对应由流速应不大于3m/s;对液体流量计, qt对应的流速应不大于0.3m/s。

    006

    (1)流量计系数调整

    连续两次检定之间流量计系数的调整量应不超过准确度等级所对应的大允许误差的2倍。如超过,可降低该流量计的准确度等级直至满足要求,或按检定不合格处理。

    (2)重复性

    流量计的重复性不得超过相应准确度等级规定的大允许误差**的1/3。

    (3)双向测量的流量计两个测量方向应分别进行检定。

    (4)外夹式流量计应对每对探头分别检定,并尽量在与使用管径相同的管径下进行检定。如使用管径与检定管径之比大于2或小于1/2,使用时流量计应增加一个0.5%的附加误差。

    (四)用途

    时间差法流量计用于单相液体或气体的流量测量,多普勒流量计主要用于污水流量测量。

    (五)多声道超声波声速差法气体流量计的原理

    多声道超声波速差法气体流量计采用声速差法,通过准确测量超声波沿气流顺向及逆向传播的声速差,测量 各种口径管道内稳态或脉动气流的双向流速、流量。具有测量快速、对气体无流阻、无压力损失、量程宽、测量结果不受气体声速、成分、压力、温度变化的影响、 对大管径及脉动气流也能进行正确测量等优点,解决了目前大口径大流量气体缺乏准确、便捷计量手段的难题。

    采用超声检测技术,通过测量超声波沿气流顺向和逆向传播的声速差、压力和温度,算出气体流速及标准状态下气体的流量。其原理如图2-54所示。

    006

    图中,假设管道内径为D,两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,则管道内换算成标准工况下的气体流量q可表示为:

    007

    式中:

    t1、t2——分别为超声波顺向传播声时和逆向传播声时间;

    τ1、τ2——分别为超声顺向传播和逆向传播时电路、电缆及换能器等产生的声延时间;

    P、T——分别为管道中实测的气体压方和温度;

    Po、To——分别为标准工况下气体的压力和温度。

    在实际应用中,流量计采用了多声道的方法来消除流速分布不均匀的影响。

    流量计由于采用了"随机多次测量时间间隔后平均"、"过零电平检测"、"提高超声发射接收能力"、"尽可能高的时标频率"及多声道等技术措施,从而大大提高了仪器的测时及流量的准确度。

    (六)换能器信号传播与接收

    超声流量计中通常采用压电陶瓷材料做为换能器,它具有高声阻,而气体的声阻是低的,因此对于陶瓷换 能器向气体输送能量阻挠匹配是很困难的,至少工作过程是低效率的。接收信号的特性还与声束传播顺流或逆流有关,各类流量计解决此问题采取不同的方案。传统 的方法是应用很低密度材料覆盖于压电陶瓷材料换能器的表面,以达到不同阻挠的匹配。此覆盖层应稳定,应用此技术除耦合外还可以改善结构问题。为了降低换能 器的振响,可附加一个吸收衬垫,通常此类换能器的频率范围为140kHz到180kHz。聚氟乙烯(PVDF)膜具有低声阻特性,它在伸张和支撑时有压电 性质,可以做为发射器,亦可做为接收器的可逆工作方式。其缺点是对温度敏感,因此其电子线路的增益需要随时改变以适应它。换能器的一个工作难题是换能器需 面临灰尘,在所有网状系统中皆有一些灰尘,但在陈旧系统可能存在所谓尘暴。灰尘主要由氧化铁和二氧化硅组成,当速度分布变化或其他扰动时气流就积聚它,它 对换能器的机械磨损以及丧失线性特性等方面有很大关系。

    对于流量计低流量时的准确度,换能器的线性度很重要,非线性特性甚至在无流量时可能引起两方向的计时差别,结果实际上无流量却出现流量显示,因此换能器需要良好的线性度。灰尘附着于线性换能器的表面,可能使换能器具有不同的振幅而产生非线性。

    常用安装方法:

    (1)平行双声道Z法(即一侧换能器斜方向发射声波到对面一侧换能器接收)

    (2)双声V法反射,其特点是发射换能器发射声束散射至对面一侧换能器接收,布置于弦位置上。

    (3)单声道V法(即发射声波经对面管壁反射到同侧另一换能器接收)传播方式。

    (4)四声道组合传播声波,两个声道是V法反射布置,为流量测量的基本信号;另两个声道之一的声束是按直径途径传播,之二的声束是按三角形反射途径传播,作为流速分布修正的辅助信号。

    (七)精密计时技术

    如果要满足规范要求的低流量的不确定度,双向信号的计时不确定度约为3ns(纳秒)。由于应用低功率 电源的限制,要达到它十分困难,甚至10MHz的计时时钟允许的直接计时亦仅lOOns。在计数周期内进行大量的测量有其优点。如果测量是真正随机性的, 允许单次测量有大的不确定度,其平均值仍可达到低的不确定度。至今流量计开发与达到要求的不确定度的平均值无关,这很可能是因为在校准和测试时必须在极短 周期内显示特性能力的原因所在。

    1.脉冲重复性法

    在此技术中应用低频时钟,用多次传送信号沿管道而下来增加测量时间。当*先个脉冲传送沿管道而下计时 器启动,到达时进行检测,接着马上另一个脉冲同方向往下送,如此一直到几百个脉冲。当目标脉冲到达时计时器停止,这样它测量的时间是一个脉冲传送时间的几 百倍。因此时钟频率可以降低几百倍。

    2.相位法

    相位法是采用一个特制的发射24次正弦波的信号,它具有三分之二的直通反相。发射的信号是由 1.44MHz时钟产生的,计数可低到180kHz,因此它会产生锁相。一组数目为8只的电容器由时钟开关接收信号,在相开关前16次周波时间内对来波进 行很好地平均。用一台相位检测器与此来波平均值进行比较,实测到逆向并停止采样。这样测量确定的时间是一个时钟脉冲,但它不太准确。探察到电容器上存储波 形的相位,由模数转换器读出8个电容器上的每个电压值。如果倒相停止,在接收信号相位开始时准确地收集数据,则接收信号和驱动信号(和时钟)将同相位,时 钟脉冲的积分值相当于被测的传播时间。一般其间有一个相位差,它需用拟合程序曲线来确定。可以认为它能做到信号的一个周期的千分之一,即达到几纳秒的准确 度。为了进行"相位展开",用一种分开的阈值和单脉冲换能器激励的比较器直接测量传播时间。

    3.时钟周期插入法

    接收波形的一部分与时钟速率同步进行数字化,此数据存储起来。如果计时从零线起,则易于得到时钟脉冲 的积分值,它是在零线前完成的。然后进行插入法以得到零线上时钟周期的份额。可能用一种高速电压发射器进行插入,发射器固定一个时钟周期,这个电压是在计 时瞬间采样的。发射器的采样电压被大电压除,它是所要求的时钟周期的一部分。超声在导管中传播一般以一系列模式进行,这些模式的准确性质与导管的几何形 状密切相关,如果它们的复杂性增加,则其传播速度就要降低。平面波是简单模式,通常按此模式传播。其他模式有截止的频率,当低于此频率后在导管中不再传 播。如果一种模式接近于截止频率,则其速度趋于零。当经过导管传播之后,接收到的波的形状包含有许多模式的组合信号,它受到外延信号的影响。在管道中超声 脉冲的传播时间在没有流量时两个方向是相同的,有流体存在时,换能器产生的时间迟滞无论作为发射器或接收器必须是一样的。

    由于当流量为零时两个方向的传播时间差必须很小,因此上下游传播线路的时间延迟不能有差别,这点是很重要的,可接受的大的时间差为2ns。对于130kHz信号,当采用零线计时时,其相位的稳定性为0.1°, 这样对于两个分开的放大器在很宽的温度范围内工作要保持它是很严峻的。好有尽量多的公用线路以免发生延迟时间差,它会使零流速时测量恶化。在零流量时传 播时间测量可能相等,但是静止仍产生误差,因为电子线路迟滞和换能器引起的迟滞ΔT,产生的流速测量误差为2ΔT/To,To为静止气体的传播时间。如果 它保持恒定,这就不严重,但是To随气体种类及温度而变。当ΔT为2μs时误差约为1%,从空气到热气体声速将发生变化,它大概变化1/4,即变化测量值 25%。

    消除换能器及其电子线路引起的迟滞的一种办法是应用多次反射,它仅采用时间差以抵消其迟滞。

    (八)单片机控制系统

    目前单片机的技术比较成熟,超声波流量计主要采用低功耗的超大规模集成电路——名副其实的单片机 (CPU、EPROM、RAM、I/O、A/D、D/A及计时器等都集成在一个芯片),采用低功耗的液晶显示。采用单片机技术后做成IC卡式智能仪表很易 于与银行系统联网,实现先购买后使用,解决拖欠账问题,便于管理,易于实现远程通信控制及宏观调节。而且可以进一步开发更多功能,如防盗气、用气记录档 案、家庭医生等。

    二、超声波流量计的性能特点

    ①无阻挡,无可动部件,无压损,无示值漂移现象,量程比较宽;

    ②不受气体压力、温度或组分变化的影响;

    ③不受气体中固体颗粒和液滴的影响;

    ④重复性好,准确度高,线性好,可采用多次反射并将声程加长;

    ⑤单片机系统有自检测与自诊断功能,易于实现通信;

    ⑥相对于管轴线是**轴对称的,不受安装方位、速度分布和涡流的影响。

    三、超声波流量计应用领域及前景

    ①天然气工业的贸易输送计量、气体分配、调合、控制和检漏等方面;

    ②地下储气库(双向计量);

    ③过程工业中高价值气体的计量和火电厂耗气量等一般流量计量或检测场合;

    ④作为常规贸易计量仪表的标准表。

    中国庞大的西气东输工程,建设成一条长达四千多公里的西气东输管道,是中国西部大开发标志性项目。准 确地进行天然气流量测量是企业部门进行经济分析、降低运行成本的关键一环,直接地影响着一个企业的经济效益,倍受供需双方关注。随着世界能源供求日益紧 张,人们都十分关心并寻求一种准确度高,适应性强的流量计来测量天然气流量,以维护企业的利益。超声波流量计自投放市场以来,与目前其他类型流量计相比, 显然有着更高更好的性能特性,因而倍受人们青睐。近几年,在北美及加拿大新建设几条大型输气管道工程中,已开始用超声波流量计。作为贸易计量,应用效果己 得到证实。近几年来,我国先后从国内引进了超声波流量计约几十台。我国流量界相当关注这一新型流量仪表。超声波流量计计量准确度可达到0.5%,具有准 确度高、重复性好、量程比宽、抗干扰能力较强、维修量小、可测双向流等特点。为保证计量系统准确度,在现场使用前须经实流测试校准。

    尽管超声波流量计与目前使用广泛的孔板流量计相比,有着更多的优点,主要反映在有双向测量,大量程 比,无压损,无可动部件和高准确度等。但由于孔板流量测量技术历史悠久,标准化程度高,使用简单可靠,一般无特殊要求时无须标定等特点。由此可见,尽管超 声波流量计己问世,它只能起到补充作用,不可能完全替代孔板。在今后相当长一个时期内,由于种种因素的制约,特别是标定不能获得妥善解决之前,孔板流量计 仍是天然气计量主要手段之一。

    四、定期标定问题

    任何一种新型流量计要获得工业化应用和认可都要历经一个相当长的过程,这因为人们一方面对它的认识要 有过程,另一方面流量计本身与应用中所暴露出来的问题,要得到满意的解决也要有过程。从超声波流量计的结构和测量原理来看,这种速度型流量仪表可以实现" 干标"(即是静态标定)。这是因为流量计腔体几何尺寸D和声道长度尺寸L和X值(X代表传感器间的轴向长度),利用目前的测量技术及手段,几何尺寸是可以 获得准确测定。如果电子电路和传感器的性能获得准确测量,传感器组件的电气特性稳定并具有可互换性,那么"干标"就可获得实际的应用。然而,目前仍没有足 够技术措施和理由来证明这一点,也就是未就"干标"达成共识。当前,在北美、南美、欧洲,对贸易计量的超声波流量计供需双方都要求有足够的测量准确度,基 于合同双方这一要求,可信赖办法还是要动态标定。对于口径较小的气体超声波流量计, DN<300mm等于利用目前国内外已建标准装置进行标定已可以办到;对于口径大于DN300mm, 高压大流量标准装置目前还很难办到。从实际应用角度出发,将流量计从现场卸下来运到标定中心去标定,对于用户来讲是一种极大的负担,而且每标定一次费用是 相当高的,相比之下大口径流量计其费用占有更高百分比。从制造厂角度来看,为了使流量计的测量误差或系统误差达到小,为了满足准确度,出厂前要进行标 定,这将产生附加的产品成本。由于管径、压力、投资及标定系统运行费用等多方面原因和所需考虑的条件,目前世界上很难找到有几套装置能标定DN300mm以上的超声波气体流量计。这无疑将制约大口径气体超声波流量计的应用和中小口径气体超声波流量计的广泛使用。鉴于这一情况,在选用气体超声波流量计时一定要权衡利弊,特别是要考虑到流量计定期标定问题。

    "干标"与实流标定不同,它不是利用标准表或装置来检查所用流量计的结果。为了解决标定问题,为流量计广泛使用铺平道路,国内超声波流量计制造厂家致力于"干标"法的研究。目前,一般产品出厂前无特别要求都是采用"干标"法,主要包括:

    ①流量计几何尺寸的检定。为保证流量计的准确度,声道长度L和声道与管轴间夹角是非常重要的参数,准确控制测量公差将改善准确度,这一点在目前条件下是可以采用高性能设备获得。准确的几何尺寸是提供电子线路组态的基础。

    ②电子线路与传感器性能测试。一方面是检测其性能指标是否符合设计规定要求,更重要是复核其性能指标稳定性,即电子部分的稳定度是否满足要求。电子线路和传感器性能稳定度是超声波流量计实现"干标"和传感器具有良好互换性的关键。这也是目前能否实现"干标"的关键。

    ③零流量检查。当没有流量时,流量计的示值应当为零,而且应当有良好的重复性。

    ④声速/声程标定,当气体的温度、压力和气体组分保持不变时,不管流量多少,声速将是恒定值。为了获 得准确的声速值,流量计用一种带恒压和己知组分的气体。在目前条件下,一般要按用户提供组分进行这一标定是很困难,能办到费用也很高,况且一般用户在实际 使用流量计时组分是有变化的。为此,一般采用诸如纯N2气(99.995%)作为试验介质来进行这一工作。研究和试验介质压力、温度及组分变化给声速带来影响和修正是十分必要的。

    从近年的发展看,气体超声波流量计具有从理论上无需进行流量标定、与检测介质无关等无可比拟的优点, 但是还要实际验证,现正逐步走向实用化。国内一些著名仪表公司都已批量生产,包括用于主管道的大口径流量计和家用燃气表已经积累了相当多的应用经验,其价 格将逐步降低,可以预测它将占有较大的市场。随着我国天然气工业的高速发展,超声波流量计在天然气工业领域中预计有巨大的应用前景。

    超声流量计的工业应用已有约40年历史,以前主要是在液体方面的应用,由于气体声能衰减较大,在气体 方面的应用遇到很大困难。80年代以来,由于高速数字信号处理技术和的压电陶瓷技术的发展,使气体超声流量计测量天然气技术有突破性进展,近年来,它 的研发呈加速发展之势。国内标准化组织ISO发布ISO/TR 12765《用时间传播法超声流量计测量封闭管道内的流体流量》,美国1998年颁布了AGA NO.9《用多声道超声流量计测量天然气流量》总结了阶段成果,目前澳大利亚和欧洲各国正在进行制定国家标准和国内标准的准备工作。

    与孔板、涡轮流量计相比,气体超声流量计确实还很年轻,许多实用问题仍在探索中,但是它的潜力,优势却是明显的,近年建成的世界大容量的天然气实流校验装置(加拿大TCC装置)甚至采用它作为辅助标准表。当然,它还仅是气体涡轮流量计的副手。

    气体超声流量计有以下几个特点引起人们的重视:

    (1)提出解决流体流动特性对流量计特性影响的新方法

    推理式流量计的特性受流体流动特性的影响,是现场测量附加误差增加的一个主要原因,它是此类流量计试 验研究的主题之一。但是由于现场阻流件类型的复杂性,流速廓形畸变,旋转流以及脉动流等类型千变万化,孔板流量计花了数十年时间,耗费大量人力、物力进行 试验,其成果仍不能满足现场的需要,其他类型流量计的研究试验仍在大力进行中。近年出现的多声道气体超声流量计,它利用多声道构建层析网络,然后应用计算 机技术进行实时补偿取得良好效果,这是一种应用软测量技术解决问题的方法,它与孔板流量计等采用对号入座式对阻流件逐个试验的方法无疑有较好的技术经济 性。

    (2)流量计的干标技术

    流量计可实施干校(无须实流校验)是仪表性的标志,所有类型流量计都在追求实行干标,但是并非全 部流量计皆可实现。干标给仪表制造厂和用户带来巨大的经济利益,尤其是用户可解除其后顾之忧,试想,一台高压大口径流量计需定期实行实流校验,其麻烦是很 大的。超声流量计由于其本身工作原理的特点,实行干标独具优势,初步研究表明,气体超声流量计实行干标是完全可能的,对于时间传播法,它可由时间和长度二 个参数进行干标,求得流量计的仪表系数。

    (3)流量计的计量溯源性

    由于流量参数的动态性质,仪表准确度存在较大问题之一是计量溯源性。至今国内上还没有公认的流量量值 的实物标准,流量量值的统一采用装置比对实现。流量量值的原级标准是一座流量标准装置,在装置上把各基本量(长度、质量、时间及温度)综合为导出量——流 量,然后把流量量值传递给一台或一组流量汁,称为传递标准(流量量值的载体),借助传递标准把量值传递到工作仪表。由此可见,原级标准是一种固定装置,其 特点与流量计有较大差别,不仅标准没有移动性,它亦无法实际反映流量参数的动态性质。如果能够在一台流量计上把基本量综合为导出量,它将是一台原级标准。 时间传播法超声流量计的流量方程主要由三个基本量组成:时间和长度。现在国内上有些专家已注意到这个特点,认为超声流量计存在成为原级标准的可能,如果这 可能变为现实,则流量测量技术将产生新型的变化。

    主要优点:
    ①无阻碍物,无可动部件,压损小,无示值凛移现象;
    ②量程比宽(40:1~200 :1);
    ③不受气体压力、温度或组分变化的影响;
    ④不受气体中固体颗粒和液滴的影响;
    ⑤重复性好,准确度高,线性好(采用了分布合理的多反射并将声程加长的技术);
    ⑤有强大的自检测与自诊断功能(超声换能器发射功率自动增益控制,测量有效性及采样百分比监测功能);
    ⑦全数字式计量系统,易于实现数字通信;
    ?超声换能器可正常工作在O.lMPa(表压)至15MPa(表压)的压力范围内;
    ⑨采用单反射和双反射与普通传统声道的超声流量计相比声道长度大了6倍,使测量误差减少一半以上;
    ⑩的声道布置合理,可形成密闭的超声层析网络,相对于管轴线是**轴对称的,不受安装方位,速度分布和涡流的影响;
    (11)维护简单,可带压更换超声换能器;
    (12)可精确测量双向流和脉动流;
    气体超声流量计的应用场合:
    ①贸易输送计量;
    ②地下储气库(双向计量);
    ③气体压缩机控制,气体处理厂,计量和调压站,过程工业中高价值气体的计量和火电厂耗气量计量等一般流量计量或检测场合;
    ④作为常规贸易计量仪表的检定标准表。
    (本文由润中仪表科技有限公司整理发布)


     


    相关文章

    分享到:

    返回顶部