超声波流量计的使用及优缺点浅谈
【摘要】本文主要介绍了超声波流量计的工作原理、分类、使用时应注意的事项以及其优缺点。
【关键词】流量计;超声波;多普勒法;时差法。
【Abstract】This paper mainly introduces the working principle of ultrasonic flow meter, classification, the matters that should be paid attention to when using as well as their advantages and disadvantages. 【Keywords】Flow meter; Ultrasound; The doppler method; The time difference method.
0.前言
超声波流量计是一种不直接接触被测介质的非接触式流量计,它通过测量超声波在介质内的传播时问差来测量流体的流速,进而计算出流体的流量,准确度高。在过程自动化仪表与装置中,流量仪表有两大功用:作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量表。但流量是一个动态量,它是一个只有当流体发生运动时才实际存在的物理量,因此它不仅是基本量的静态组合。又由于其动态性质,流量量值受到许多复杂因素的影响,例如流体内微观分子之间的相互作用,宏观的湍流、旋涡运动等。
1.超声波流量计工作原理和分类
超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器。当气体不流动时,声脉冲以相同的速度(声速,c)在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V(该流速不等于零),则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些,而逆着流动方向的声
脉冲会传输得慢些。这样,顺流传输时间t
D 会短些,而逆流传输时间t
U
会长些,
这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言。根据检测的方式,可分为传播速度差法,多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计由于直接时差法、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报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。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。但相关器价格贵,线路比较复杂。噪声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工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。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
2.超声波流量计的使用
超声波流量计虽然工作原理是相同的,但是从结构参数等方面来分类的话,超声波流量计还是有很多种类的。在超声波流量的使用过程中,信号传感器的安装方法和安装的位置对于超声波流量计测量精度的影响是相当大的。首先为了能够保证超声波测量管道内的流体是平行流动的,所以一定要有一段的直管段。一般的情况下,在超声波流量计的前方一般要有至少长于十倍管径的直管段。在超声波流量的后方要一般有至少长于五倍管径的直管段。在安装的过程中一定要有一个正确的安装位置,在安装超声波流量计时,其中传感器的方向要与直管的方向之间的夹角在45度以内,而且在安装超声波流量计时要尽量避免安装在管道的接口以及有焊接的地方。其次,为了能够保证流量计的测量精度,要定期使用高精度的流量计进行对比测试,然后计算超声波流量计误差。同时测量多组数据,分析计算结果算出相应的流量修正系数,不断的提高测量的精确度。最后,对于安装使用了一段时间的流量计,要定期的检测超声波流量计是否松动,而且应定期的清洗流量计。
3.超声波流量计优点
(1)节约能源。改仪表可以夹装在测量管道的外表,不接触流体,所以不干扰流场,没有压力损失,因此是一种比较理想的节能仪表。特别是大流量计量时,节能效益更加显著。
(2)特别适合大口径的流量测量。目前国内最大口径的其它流量计121径为lm的电磁流量计,更大口径的流量计尚未空白。而超声波流量计的最大口径可达2m。此
外,其它流量计随着口径的增加,造价更大幅度增加,而超声波流量计的造价基本上与被测管道的口径无关。所以,口径越大,优点越显著。
(3)解决流量测量的难题。由于超声波流量计是非接触式仪表,所以,除了用于测量水、石油等一般介质外,还能对强腐蚀介质、非导电介质,易爆和放射性介质进行流量测量,而且不受流体的压力、温度、粘度密度的影响。
(4)安装维修方便,无论是安装还是维修,都不需要切断流体,不会影响管道内流体的正常流通。安装时不需要阀门,法兰、旁通管路等,因此,安装方便,费用低。
(5)通用性好。其它流量计的仪表结构与管道口径的大小是密切相关的,口径改变时,就需要换用不同尺寸的仪表。对超声波流量计来说,无论是管道尺寸的改变,还是流量测量范围的变化,都有较大的适应能力。
4.超声波流量计缺点
超声波流量计是基于集成电路、单片机和自动控制技术的高集成、多功能仪表,先进的控制理论和成熟的电路设计为流量计多种功能的实现奠定了基础,如果要提高流量的测量精度,必须进一步完善测量线路的设计,提高对声速的测量。超声波流量计高度集成的电路设计势必会提高设计制造的成本与难度,而一旦发生故障,维修难度也相应增加。另外,受超声波换能铝及传感器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制,以及高温下被测流体传声速度原始数据不全因素的影响,目前还难以将超声波流量计应用在高温介质的流量测量上。
5.超声波流量计的应用领域
[(a)行业,(b)目的]
(1)污水
(a)污水处理厂
(b)进出水口及中间环节流量计量
(2)原油
(a)油田
(b)原油、油水混合物及含油污水流量测定。
(3)铝酸钠溶液
(a)铝厂
(b)铝酸钠溶液等其他流量计无法测量的工艺流流量测量
(4)工业用水、排水
(a)炼钢、炼铁、化学、药品、造纸等工厂
(b)泵功率的检查、对各工序的流量进行有效分配管理,排污口总量计量。(5)各种纸浆液
(a)纸浆造纸厂
(b)流量管理、将泵作适当调换,减少电力成本。
(6)煤炭 / 矿石混合水
(a)各矿山
(b)在选煤 / 选矿过程中的流量测定
(7)糖液、淀粉液
(a)制糖厂、淀粉厂
(b)适用于食用管道的工艺过程
(8)冷却水、冷气设备用水、温水
(a)建设、大厦的建筑物、各大厦的维修
(b)流量的管理及效率的检查
(9)各种处理液
(a)化学、制药、各药品厂
(b)在高 / 低温,高压下的流量测定
(10)泥石混合水
(a)建设公司
(b)作为海底主要的砂、岩石等在泵上传送时的流量测定
(11)河川、海水、盐水
(a)化学、食品、药品、石油化学、各制盐厂
(b)以冷却水、处理盐水为主的流量测定
6.结语
流量仪表大都需要适合的测量介质和工况条件为依托方可发挥正确作用,只有优势而没有缺点的流量仪表现今是不存在的,合理的选择仪表对于现场工程师和管理者是至关重要的。综上所述,在工业装置中要正确和有效地选择,使用流
量测量方法和仪表,必须熟悉流量仪表和生产过程流体特性这两方面的技术,同时还应考虑经济因素,归纳起来五个方面因素,即性能要求、流体特性、安装要求、环境条件和费用。不断发展的电子信息技术推动着仪表行业向着更高的水平发展,众多的新技术促进了仪器、仪表的更新换代。对于自控专业的技术人员来说,难免会在日常工作中遇到新型仪器、仪表,除了要严格按照仪器、仪表的说明书、安装手册等随机资料的要求进行安装调试外,更重要的是理解仪器仪表的测量原理和系统构成,将理论知识与现场实际相结合,才能更好地服务于现场仪表的安装。
【参考文献】
【1】董德荣,彭兴明. 超声波流量计的原理及应用. 机电产品开发与创新(2009)【2】刘有博. 超声波流量计的原理及应用研究. 科技向导(2012)
【3】吴楠. 超声波流量计的介绍及应用.川化(2013)
4.超声波流量计的缺点(翻译)
Ultrasonic flow meter is based on the integrated circuit, single chip computer and automatic control technology of high integration,
multi-function meter, advanced control theory and the mature circuit design for the realization of the flow meter multiple functions laid a solid foundation, to improving the measuring accuracy of traffic, must improve the design of measuring circuit, improve the velocity measurement. Ultrasonic flow meter is bound to improve the design and manufacture of highly integrated circuit design of the cost and difficulty, and in the event of failure, the maintenance difficulty also increases accordingly. In addition, the ultrasonic can in aluminium and coupling between transducer and pipeline material heat resistance level of restrictions, and is under the high temperature flow body sound transmission speed of raw data is not all factor, it is difficult to apply ultrasonic flow meter in flow measurement of high temperature medium.
各类超声波流量计说明书 超声波流量计种类有很多,有便携式,手持式,一体式,分体式等,以下是几种超声波流量计的具体技术参数说明。 便携式超声波流量计: 一、概述: TCS-600P型便携式超声波流量计采用国际上最先进的大规模集成电路和先进的SMD贴装焊接工艺生产而成。精确度高、重复性好,内置一体式智能打印机可实时、定时打印;具有全中文显示、功能强大、一致性好、操作简单、携带方便、电池工作时间长等特点。适用于各种工业现场的在线标定和巡检测量。 二、基本技术参数: ※测量精度:优于1% ※重复性:优于0.2% ※测量周期:500ms(每秒2次,每个周期采取128组数据) ※电池:内置镍镉充电电池可以连续工作24小时 ※安装方式:外敷安装,操作简单、方便 ※显示:2行汉字同屏显示瞬时流量、累计流量、信号状态 ※信号输出:隔离RS485通信协议、MODBUS协议,兼容国内其它厂家同类产品通讯协议 ※打印输出:内置热敏一体式打印机,实现及时或定时打印 ※其它功能:自诊断,提示当前工作状态是否正常
※采用智能充电方式,直接接入AC 220V,充足后自动停止,显示绿灯三、外型尺寸及标准配置: 手持式超声波流量计: 一、概述: TcS-600B型手持式超声波流量计采用国际上最先进的大规模集成电路和先进的SMD贴装焊接工艺生产而成。精确度高、重复性好,具有全中文显示、功能强大、一致性好、操作简单、携带方便、电池工作时间长等特点。适用于各种工业现场的在线标定和巡检测量。 二、基本技术参数
※测量精度:优于1% ※重复性:优于0.2% ※测量周期:500ms(每秒2次,每个周期采取128组数据) ※电池:内置镍镉充电电池可以连续工作15小时 ※安装方式:外敷安装,操作简单、方便 ※显示:4行汉字同屏显示瞬时流量、累计流量、信号状态 ※其它功能:内置数据记录器可记录时间、累计流量、信号状态、工作时间等 自诊断,提示当前工作状态是否正常 ※信号输出:标准数据口RS232用于联网检测或导出记录数据 ※采用智能充电方式,直接接入AC220V,充足后自动停止,显示绿灯三、外型尺寸及标准配置: 固定式超声波流量计,分体式超声波流量计: 一、概述: TCS-600F型固定分体式超声波流量计利用了低电压、多脉冲发射接收原理,采用双平衡信号差分发射、接收专利技术和硬件参数无关化设计方法;通过选用国际上最新、最先进的大规模集成电路和先进的SMD贴装焊接工艺生产而成。
超声波流量计工作原理及常见问题概述 一、工作原理 1、概述 超声流量计是一个测量仪表,它利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。在气体的测量现场主要的检测元件包括一对或几对超声传感器。这些传感器都安装在管壁上,每一组传感器的表面都彼此具有规定的几何关系。 由一个传感器发射的超声脉冲由同一组内另一个传感器接收,反过来也如此。Q.Sonic-3 采用了一个单反射声道的方案,在对面的管壁处声脉冲有一次反射。此方案使声道的总长度增加,从而能改善分辨率(灵敏度)并拓宽流量计的范围度,如图2-1所示。 图2-1 信号反射路径 2 、流速的测量 超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器,就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时,声脉冲以相同的速度(声速,C)在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V(该流速不等于零),则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些,而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样,顺流传输时间tD 会短些,而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言;这样就有: L tD = ——————— -------------- (2.1) C + V ? cos 和 L tU = ——————— -------------- (2.2) C — V ? cos 式中,L代表两个传感器之间声道的直线长度,可按下式确定L: L D —— = ———— -------------- (2.3) 2 sin ^ 采用电子学手段来测量此传输时间。根据时间倒数的差,可按下式计算流速V ^ L 1 1 V = ————(—————)-------(2.4)
目录 1. 概述 (1) §1.1 引言 (1) §1.2 主要特点 (1) §1.3 工作原理 (1) §1.4 装箱单(标准配置) (2) §1.5 正面视图 (3) §1.6 典型用途 (3) §1.7 数据的完整性和内置时钟 (3) §1.8 产品的识别 (4) §1.9 基本技术参数 (4) 2.开始测量 (5) §2.1 内置电池 (5) §2.2 通电 (5) §2.3 键盘 (6) §2.4 窗口操作 (6) §2.5 快速输入管道参数步骤 (7) §2.6 传感器安装位置的选择 (9) §2.7 传感器的安装 (10) §2.7.1 传感器的安装距离 (10) §2.7.2 V方式安装传感器 (10) §2.8.3 Z方式安装传感器 (11) §2.8.4 W方式安装传感器 (11) §2.8.5 N方式安装传感器 (12) §2.8 检查安装 (12) §2.8.1 信号强度 (12) §2.8.2 信号质量(信号良度) (13) §2.8.3 总的传输时间和时差 (13) §2.8.4 传输时间比 (13) 3.菜单窗口详解 (14) §3.1 菜单窗口简介 (14) §3.2 菜单窗口详解 (15) 4.怎样使用 (20) §4.1 怎样判断流量计是否工作正常 (20) §4.2 怎样判断管道内的液体流动方向 (20) §4.3 怎样改变系统的测量单位制 (20) §4.4 怎样选择流量单位 (20) §4.5 怎样选择累积器倍乘因子 (20)
§4.6 怎样打开和关闭累积器 (21) §4.7 怎样实现流量累积器清零 (21) §4.8 怎样恢复出厂设置 (21) §4.9 怎样使用阻尼器稳定流量显示 (21) §4.10怎样使用零点切除避免无效累积 (21) §4.11怎样静态校准零点 (21) §4.12怎样修改仪表系数(标尺因子)标定校准 (22) §4.13怎样使用密码保护 (22) §4.14怎样使用内置数据记录器 (22) §4.15怎样使用频率输出功能 (22) §4.16怎样设置累积脉冲输出 (23) §4.17怎样产生输出报警信号 (23) §4.18怎样使用蜂鸣器 (24) §4.19怎样使用OCT输出 (24) §4.20怎样修改日期时间 (24) §4.21怎样调整LCD显示器的对比度 (25) §4.22怎样使用RS232串行口 (25) §4.23怎样查看每日、每月、每年流量 (25) §4.24怎样使用工作计时器 (25) §4.25怎样使用手动累积器 (25) §4.26怎样了解电池剩余电量的工作时间 (25) §4.27怎样给电池充电 (25) §4.28怎样查看电子序列号和其他细节 (26) 5.问题处理 (27) §5.1硬件上电自检信息及原因对策 (27) §5.2工作时错误代码(状态代码)原因及解决办法 (27) §5.3 其他常见问题问答 (28) 6. 联网使用及通信协议 (30) §6.1 概述 (30) §6.2 流量计串行口定义 (30) §6.3 通信协议 (30) §6.4 功能前缀和功能符号 (32) §6.5 键值编码 (33) 7. 质量保证及服务维修支持 (34) §7.1 质量保证 (34) §7.2 公司服务 (34) §7.3 软件升级服务 (34)
天然气超声波流量计 操作维护规程 中国石油西部管道兰州输气分公司年月 签字职务日期 编制人: 审核人: 批准人:
目录 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 4 操作内容 (2) 5 风险提示 (5) 6 应急处置 (5) 7 附件 (5)
1 范围 本标准规定了涩宁兰超声波流量计的现场操作方法。 本标准适用于涩宁兰气体超声流量计。 2 规范性引用文件 2.1《中华人民共和国国家标准天然气计量系统技术要求》 GB/T 18603一2001 2.2《用气体超声波流量计测量天然气流量》 GB/T 18604-2001 3 术语和定义 3.1气体超声流量计ultrassonic gas flow meter 安装在流动气体的管道上,并用超声原理测量气体流量的流量计。以下简称流量计。 3.2超声换能器ultrassonic transducer 把声能转化成电信号和反过来把电信号转化成声能的元件。 3.3信号处理单元signal processing unit 是流量计的一部分,由电子元件和微处理器系统组成。 3.4零流量测试zero-flow measure 在无流动介质的情况下,检查流量计的读数是否为零或在流量计本身规定的允许范围内。 3.5分界流量transition gas flow rate 低于该流量要采用扩展误差限的流量值。 3.6实流校准系数flow calibration factor 将流量计进行实流校准测试,并将测试结果按照一定修正方法得出的流量计系数。 3.7最大瞬时压力maximum incidental pressures 在短时间内,计量系统能够承受安全装置极限内的最大工作压力。 3.8流量计算机flow computer 计算和指示标准参比条件下的流量等参数的装置。 3.9转换装置conversion device 由一台流量计算机和各个传感器组成的装置。用于以压力、温度和气体组成或以密度或以发热量为参数进行标准参比条件下体积流量和质量流量及能量流量的转换。 4运行操作内容 4.1超声波流量计运行前的准备 4.1.1流量计的安装应符合设计和说明书的要求;天然气的流量、压力、温度范围符合流量计铭牌的规定; 4.1.2流量计、温度变送器、压力变送器具有有效的检定/校准证书; 4.1.3流量计前后阀门,调压阀、放空阀应关严; 4.1.4流量计法兰连接处应无泄漏,各个探头应牢固连接,探头连接信号线路应无松脱;4.1.5流量计信号处理单元(SPU)单元供电应正常; 4.1.6流量计配套的温度变送器、压力变送器供电应正常,压力变送器阀门应全开; 4.1.7流量计算机工作应正常; 4.1.8在线分析仪上传数据应正常。 4.2超声波流量计运行操作与监护 4.2.1缓慢打开流量计入口阀(或管路平衡阀),为超声波流量计管路充压,观察流量计、附属设备及连接管线有无渗漏; 4.2.2压力平衡后,缓慢打开流量计出口阀门,观察流量计显示单元,判断流量计是否正常运行,如无异常,调节流量计下游流量调节阀,使流量计在所需的流量范围内运行;
超声波流量计原理分类及详细说明 一、超声波流量计工作原理: 超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器,就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时,声脉冲以相同的速度(声速,C)在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V(该流速不等于零),则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些,而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样,顺流传输时间tD 会短些,而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言;根据检测的方式,可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。 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最简单,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报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,传播速度差拨又分为: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。但相关器价格贵,线路比较复杂。在微处理机普及应用后,这个缺点可以克服。 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工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;当流动方向与管铀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)、