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手持式超声波流量计原理及误差影响因素分析

发布时间:2019-04-15 16:25:18 文章分类:公司新闻 编辑作者:金帆仪表 阅读:

  工业企业水平衡试验是解决水资源供需矛盾,提高水环境承载力的重要措施。这对全面建设节水型社会,促进生态文明建设具有重要意义。

  超声波流量计具有准确度高、无需改变管道截面、无压力损失,不破坏输水、用水设备等特点,尤其是手持式超声波流量计,因便于携带,现已广泛应用于测量不易观察的管道以及大管径管道的水的流量。

手持式超声波流量计原理及误差影响因素分析
手持式超声波流量计原理及误差影响因素分析

  1.手持式超声波流量计工作原理

  超声波流量计按其测量原理可分为:传播速度差法、多普勒法、噪声法、波束偏移法等。传播速度差法又包括时差法、相差法和频差法。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,因此手持式超声波流量计工作原理多为时差法。其工作原理示意如图1所示。

  当超声波在液体中传播时,液体的流动将使传播时间产生微小的变化,其传播时间的变化正比于液体的流速。零流量时,两个传感器发射和接收声波所需的时间完全相同,液体流动时,逆流方向的声波传输时间大于顺流方向的声波传输时间。

  2.影响超声波流量计准确性的因素

  对于采用时差法原理的手持式超声波流量计,理论上凡是能影响超声波传输的因素均对计量准确性有影响。本文仅对有显著影响的几个因素进行分析,可以归纳为以下几点:

  (1)管道因素(直管段长度、管道材质、内衬)

  (2)管道内液体状态(密度、温度等)

  (3)其他因素(噪声、耦合剂等)

  3 超声波流量计的误差影响因素分析

  3.1 管道因素

  (1)直管段长度

  根据仪器要求,直管段标准工况为流量计上、下游分别有管径10倍和5倍以上的管段。在实际的能效测试中往往测试条件达不到标准直管段要求,难以找到理想的测试位置,非标准工况下和标准工况下的实验结果如表3.1所示。

  将标准工况下的误差定为零,从表3.1分析得知,在上游直管段长度一定的情况下,下游直管段长度变化对流量计的误差影响较小;在下游直管段长度一定的条件下,上游直管段长度的变化对流量计的误差影响较大;当上游管道直管段长度为直径3倍以上、下游直管道长度为管径1倍以上时,相对误差基本在1%以内,可以基本满足现场测试的精度要求。

  (2)管道材质

  超声波流量计在测试前应由测试人员手动录入管道材质。在测试时管道材质参数选择错误会造成传感器探头安装距离L的计算错误,使声束的入射角θ产生误差。如果材质的实际声速小于录入的声速(如将塑料管录入为镀锌钢管),则测量结果偏大,反之则偏小。材质设置错误严重时甚至会使传感器接收不到信号,使超声波流量计无法读数。

  (3)管道内衬

  在实际测试中发现,管道内衬对超声波流量计的读数有着明显的影响,这主要是因为管道的内衬存在改变了声波的传输速率,因此,测量时应据实准确输入内衬的材料。除此之外,管道内部结垢因导致管壁厚度变化,同样会影响测量准确性。如果管道内壁结垢相对均匀、信号基本正常,可将管道内壁结垢视为内衬,进行一定的补偿,可以减少测量误差。

  3.2 管道内液体状态

  如果管道中的流体为紊流、不满管、混相或者温度太高,都会使测量结果不准确。紊流会导致测量结果不稳定,读数区间较大,无法准确测量管中的液体流速。管道中液体不满管时,其中存在大量气泡,管道中的气泡会反射或衰减超声波信号,给测量带来误差。气泡一般存在于管道的上方,因此传感器一般采用与水平面成45°角位置安装,降低气泡对超声波信号的影响。流体为混相时,其密度很难确定,导致参数设置不正确,仪器或没有示值或示值与真实值相差甚远。

  3.3 其他因素

  在实际的测试中会发现还有虽影响较小但不可忽略的因素,比如振动噪声、耦合剂类别、传感器安装方法等。

  如果流体中存在超声波噪声,且噪声的频率与超声波流量计的工作频率范围一致,那么将使得换能器无法检测并分辨出正常的工作超声脉冲信号,导致流量计发生读数错误或停止计量。因此,在实际检测中应充分考虑周边环境,避免压缩机等各类产生振动的设备对流量计的影响。

  耦合剂的使用会直接影响超声波信号的强弱,好的耦合剂使得超声波信号更稳定,可以减少超声波信号的损失,减少管道外壁粗糙程度对测量准确性的影响。

  两种不同的安装方法分别适用于不同的测量情况:V法安装对于口径小于DN50mm的管道测量精度较高,而对于DN200mm-6000mm的管道应该优先选用Z法安装,在用V法安装测不到信号或者信号质量差的时候也可以选用Z法安装。这是由于Z法安装中超声波信号在介质中直接收发,信号没有反射,因而信号衰减最小,信号强度也较高,这使得这种安装方法适用于口径较大、介质含杂质或气泡、管道内有结垢等超声波信号衰减较大的场合。但是在管道较粗的情况下,Z法安装很难保证两个传感器在同一轴面上,这会使得超声波信号接收不到,或者信号强度很弱,出现无法测量的情况。在许多时候直管段长度达不到V法安装距离的要求,这个时候小管径的管道也可以选择使用Z法安装来测量,而且小管径管道Z法安装更加容易。

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