眾所周知,超聲波早已成熟地應(yīng)用于液體流量的測(cè)量上,但由于技術(shù)上的難題,使得在氣體流量上進(jìn)展不大。主要的技術(shù)問(wèn)題是:

超聲波換能器材質(zhì)和氣體介質(zhì)的特性阻抗相差甚遠(yuǎn)。造成換能器發(fā)射和接收效率太低。假設(shè)換能器的發(fā)射面用鋁制作,通過(guò)理論計(jì)算可知:換能器在向空器發(fā)超聲波時(shí),有99.987%的聲能只占0.0126%。同理,接收換能器從空氣中接收到的超聲波,也只有0.0126%的聲能透過(guò)換能器表面。

用于測(cè)量氣體體積流量和質(zhì)量的超聲波流量計(jì),其關(guān)鍵技術(shù)為：

(1)采用超聲波匹配理論,選擇合適的聲匹配材料,提高了超聲波換能器的發(fā)射、接收效率;并提高了換能器的靈敏度。

(2)采用超穩(wěn)定鎖時(shí)技術(shù),獨(dú)特的時(shí)序測(cè)量技術(shù),使得測(cè)量超聲波傳播時(shí)間的靈敏度達(dá)到0.1ns,即時(shí)間分辨率為0.1ns。從而可以實(shí)現(xiàn)傳播時(shí)間的高精度測(cè)量。

(3)測(cè)量原理為速差法,與傳統(tǒng)的時(shí)差法有明顯的區(qū)別,圖1表示超聲波的檢測(cè)的原理,超聲波在兩個(gè)傳感之間的順流和逆流的傳播時(shí)間(ts,tn)分別為:

ts=L/(C+vcos?)          (1)

tn=L/(C-vcos?)          (2)

式中,C為超聲波在介質(zhì)中的聲速;v為介質(zhì)的流速;θ為超聲波聲程L與管道軸線(xiàn)之間的夾角。根據(jù)(1),(2)可得:

v=(L/2cosθ)(1/ts-1/tn)         (3)

由上式可知,v與1/ts,1/tn有關(guān),與介質(zhì)本身無(wú)關(guān)。而通常采用的時(shí)差法測(cè)量流量是與流體的聲速C的平方成正比,而C與流體的溫度等環(huán)境參數(shù)有關(guān),這必然降低了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵問(wèn)題的解決使超聲波完全具備了對(duì)氣體流量的測(cè)量。而且同超聲波液體流量計(jì)一樣具有以下特點(diǎn)。

(a)實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量,無(wú)阻力無(wú)壓力損失;

(b)流速檢測(cè)與介質(zhì)成分、密度、溫度等無(wú)關(guān);

(c)儀器對(duì)介質(zhì)流速的高靈敏度,使得測(cè)量極慢速或快速流動(dòng)介質(zhì),均可滿(mǎn)足精度要求。

(d)測(cè)量范圍寬:流速0-60m/s,zui小測(cè)量流速為0.03m/s,口徑100~2000mm;

(e)可在高低溫、潮濕、粉塵、振動(dòng)等環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作,壽命可達(dá)10年以上;

(f)其換能器可通過(guò)加裝閘閥,實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)拆裝。

孔板測(cè)量系統(tǒng)量程范圍窄,造成的原因有兩個(gè)方面:

(1)孔板本身的原因

根據(jù)GB/T2624-93標(biāo)準(zhǔn),節(jié)流件的流出系數(shù)C是一個(gè)無(wú)量綱的常數(shù),它的大小取決于節(jié)流件形式、取壓方式、直徑比β、雷諾數(shù)及其它因素;可膨脹系數(shù)c的大小與直徑比β、流體壓力P、差壓△P、可壓縮流體的等焓指數(shù)有關(guān)。在工況符合設(shè)計(jì)的條件下,測(cè)量小流量時(shí),流出系數(shù)增大,可膨脹系數(shù)減少。?減少的程度遠(yuǎn)小于C增大的程度,造成儀表顯示的流量比實(shí)際值小。在應(yīng)用中,孔板的量程比在3:1以?xún)?nèi)時(shí), ?和C變化不大,孔板裝置本身產(chǎn)生的誤差小于0.5%。

(2)差壓測(cè)量系統(tǒng)的誤差

首先,不考慮孔板裝置本身的誤差,而且工況條件不變化,以下面的例子說(shuō)明當(dāng)量程超出3:1時(shí),差壓測(cè)量的示值誤差。

如:一臺(tái)變送量程為1000Pa,準(zhǔn)確度級(jí)別為0.25級(jí)。在流量為1/4滿(mǎn)量程,即差壓為62.5Pa時(shí)示值誤差為:Ep=0.25%×√1000/62.5=1%其對(duì)流測(cè)量誤差的影響為1%~2%當(dāng)流量為滿(mǎn)量程的1/5,即差壓為40Pa時(shí),Ep=0.25%×√1000/40=1.25%，同樣的,測(cè)量回路中的開(kāi)方器和顯示儀表在小流量工作時(shí),儀器的準(zhǔn)確度也會(huì)大幅度下降。而且開(kāi)方器一般設(shè)有小信號(hào)切除電路,將低于1%的輸入信號(hào)切除。
工況參數(shù)偏離設(shè)計(jì)參數(shù)

工況參數(shù)是指測(cè)量時(shí)液體的溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)。流量的理論計(jì)算公式就是在這種條件下推導(dǎo)出來(lái)的。在工業(yè)生產(chǎn)中,由于負(fù)荷和季節(jié)的變化,工況參數(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)是波動(dòng)的,這必然造成管道內(nèi)徑D、孔板孔徑d、流出系數(shù)C、氣體的可膨脹系數(shù)ε、流體密度的變化,當(dāng)這種波動(dòng)越過(guò)一定值時(shí),依據(jù)設(shè)計(jì)工況參數(shù)測(cè)量的流量值將偏離實(shí)際測(cè)量。當(dāng)工況參數(shù)變化大時(shí),測(cè)量值將嚴(yán)重偏離實(shí)際值,對(duì)生產(chǎn)、計(jì)量產(chǎn)生影響。
差壓流量計(jì)如何解決計(jì)量難點(diǎn)

(1)加強(qiáng)孔板計(jì)量系統(tǒng)的維護(hù)檢修,這是解決計(jì)量問(wèn)題的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的維護(hù)檢修包括:儀表部分:每天儀表巡檢,取壓管定期排污,變送器、二次表周檢;孔板部分:半年清洗一次孔板;另外,管道要定期排水,在清洗孔板時(shí),對(duì)孔板前2D,孔板后1D的管道進(jìn)行清洗。

(2)增加溫度、壓力測(cè)量系統(tǒng),采用高精度智能型差壓變送器提高差壓的測(cè)量精度和開(kāi)方精度;采用智能型流量積算儀對(duì)煤氣工況變化引起的流址系數(shù)、膨脹系數(shù)、開(kāi)孔尺寸的變化進(jìn)行補(bǔ)正。通過(guò)這些設(shè)備可以將流量的精確測(cè)量范圍擴(kuò)大到4:1以上。

(3)使用孔板較好的解決以上問(wèn)題的方式是采用多根流量管并聯(lián)的方式。以昆明焦化制氣廠(chǎng)煤氣計(jì)量為例。其采用了三根流量管,兩根為Φ400mm,一根為Φ300mm;安裝三套**孔板閥配套三臺(tái)1151差壓變送器、壓力變送器及ITE 度變送器;二次表為SPLR可編程運(yùn)算器。運(yùn)行方式為:根據(jù)開(kāi)動(dòng)的加壓機(jī)數(shù)量人工開(kāi)啟某**量管;每月清洗孔板一次。二次表對(duì)煤氣工況變化進(jìn)行補(bǔ)償。

超聲波氣流量計(jì)的成功應(yīng)用是氣體流量計(jì)上的一次飛躍。它代表著21世紀(jì)氣體流量的zui新發(fā)展方向,具有廣闊的應(yīng)用前景。