眾所周知,超聲波早已成熟地應(yīng)用于液體流量的測量上,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,通過理論計(jì)算可知:換能器在向空器發(fā)超聲波時,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%的聲能透過換能器表面。
(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)定鎖時技術(shù),獨(dú)特的時序測量技術(shù),使得測量超聲波傳播時間的靈敏度達(dá)到0.1ns,即時間分辨率為0.1ns。從而可以實(shí)現(xiàn)傳播時間的高精度測量。
(3)測量原理為速差法,與傳統(tǒng)的時差法有明顯的區(qū)別,圖1表示超聲波的檢測的原理,超聲波在兩個傳感之間的順流和逆流的傳播時間(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)本身無關(guān)。而通常采用的時差法測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),這必然降低了測量的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵問題的解決使超聲波完全具備了對氣體流量的測量。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)非接觸測量,無阻力無壓力損失;
(b)流速檢測與介質(zhì)成分、密度、溫度等無關(guān);
(c)儀器對介質(zhì)流速的高靈敏度,使得測量極慢速或快速流動介質(zhì),均可滿足精度要求。
(d)測量范圍寬:流速0-60m/s,zui小測量流速為0.03m/s,口徑100~2000mm;
(e)可在高低溫、潮濕、粉塵、振動等環(huán)境下長期穩(wěn)定的工作,壽命可達(dá)10年以上;
(f)其換能器可通過加裝閘閥,實(shí)現(xiàn)在線拆裝。
孔板測量系統(tǒng)量程范圍窄,造成的原因有兩個方面:
(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是一個無量綱的常數(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,測量小流量時,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以內(nèi)時, ?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,以下面的例子說明當(dāng)量程超出3:1時,差壓測量的示值誤差。
如:一臺變送量程為1000Pa,準(zhǔn)確度級別為0.25級。在流量為1/4滿量程,即差壓為62.5Pa時示值誤差為:Ep=0.25%×√1000/62.5=1%其對流測量誤差的影響為1%~2%當(dāng)流量為滿量程的1/5,即差壓為40Pa時,Ep=0.25%×√1000/40=1.25%，同樣的,測量回路中的開方器和顯示儀表在小流量工作時,儀器的準(zhǔn)確度也會大幅度下降。而且開方器一般設(shè)有小信號切除電路,將低于1%的輸入信號切除。
工況參數(shù)偏離設(shè)計(jì)參數(shù)
工況參數(shù)是指測量時液體的溫度、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)場是波動的,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)這種波動越過一定值時,依據(jù)設(shè)計(jì)工況參數(shù)測量的流量值將偏離實(shí)際測量。當(dāng)工況參數(shù)變化大時,測量值將嚴(yán)重偏離實(shí)際值,對生產(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,對孔板前2D,孔板后1D的管道進(jìn)行清洗。
(2)增加溫度、壓力測量系統(tǒng),采用高精度智能型差壓變送器提高差壓的測量精度和開方精度;采用智能型流量積算儀對煤氣工況變化引起的流址系數(shù)、膨脹系數(shù)、開孔尺寸的變化進(jìn)行補(bǔ)正。通過這些設(shè)備可以將流量的精確測量范圍擴(kuò)大到4:1以上。
(3)使用孔板較好的解決以上問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)開動的加壓機(jī)數(shù)量人工開啟某**量管;每月清洗孔板一次。二次表對煤氣工況變化進(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。
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