穆全軍

摘 要 在供水系統(tǒng)計(jì)量中，工業(yè)流量測(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量困難的問題，機(jī)械式水表使用較多，大管徑流量的水表存在誤差較大，計(jì)量不準(zhǔn)，無校驗(yàn)手段。本文探討在供水大口徑管道中應(yīng)用超聲波流量計(jì)，并對(duì)該性能進(jìn)行分析對(duì)比，提高供水計(jì)量的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞 插入式；超聲波；供水；應(yīng)用

前言

插入式超聲波流量計(jì)的應(yīng)用技術(shù)近年來發(fā)展迅速，以其安裝方便、維護(hù)量小、適用量程范圍廣、無接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)。它克服了時(shí)差式電磁流量計(jì)應(yīng)用在大口徑管道存在的儀表故障率高、計(jì)量不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，滿足了計(jì)量的需要。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)對(duì)這種超聲波流量計(jì)的特性及應(yīng)用中可能影響測(cè)量精度的一些問題進(jìn)行分析。

1 超聲波流量計(jì)的工作原理及性能

（1）超聲波流量計(jì)的構(gòu)成超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和計(jì)算。實(shí)現(xiàn)流量的檢測(cè)和顯示。

（2）插入式超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)測(cè)量管內(nèi)無活動(dòng)部件和阻流元件，無附加壓力損失；測(cè)量過程與液體的溫度、密度、壓力及導(dǎo)電無關(guān)；可采用不停水深入管壁內(nèi)安裝方式；不接觸流量測(cè)量儀表，測(cè)量過程傳感器元件不接觸被測(cè)流體，不阻流，無腐蝕，壽命長。不受雜散點(diǎn)信號(hào)干擾；檢定周期為三年，其他流量計(jì)一般為半年或一年。插入式傳感器流量計(jì)，主要技術(shù)特點(diǎn)是不使用耦合劑，被測(cè)管道內(nèi)壁垢對(duì)測(cè)量無影響，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到1.0級(jí)，安裝是將聲頭插入至被測(cè)管道內(nèi)部，從內(nèi)壁看大約露出5mm左右，不阻流，不增加管道的壓力損失。聲頭帶有防護(hù)罩，用于能量轉(zhuǎn)換（電聲相互轉(zhuǎn)換）的壓電陶瓷通過該報(bào)護(hù)罩向被測(cè)液體發(fā)射和接收聲波信號(hào)，該報(bào)護(hù)罩起到了抗沖擊、防腐、耐磨作用，并具有良好的透聲性能[1]。

2 影響流量計(jì)測(cè)量精度的因素

（1）上下游直管段長度對(duì)測(cè)量精度的影響標(biāo)定系數(shù)K是雷諾數(shù)的函數(shù)，流體從層流過渡到紊流，流速分布不均勻，標(biāo)定系數(shù)K將產(chǎn)生較大的變化，引起測(cè)量精度下降，根據(jù)生產(chǎn)商要求，換能器應(yīng)安裝在上游直管段為10D（D為管線直徑），下游直管段為5D的位置，對(duì)于上游存在泵、閥等設(shè)備時(shí)直管段的長度，要求“距離紊流、震動(dòng)、熱源、噪音源和射線源越遠(yuǎn)越好”。

（2）管道參數(shù)設(shè)置對(duì)測(cè)量精度的影響管道參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確與否，與測(cè)量精度關(guān)系密切。如果管道材質(zhì)及尺寸的設(shè)置與實(shí)際管道尺寸不相符，將造成理論管道流通截面積與實(shí)際流通截面積產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致最終結(jié)果不準(zhǔn)確；另外，換能器之間的發(fā)射間距是根據(jù)流體（聲速、動(dòng)力黏度）、管道（材質(zhì)和尺寸）、換能器的安裝方式等各種參數(shù)綜合運(yùn)算的結(jié)果，換能器的安裝距離產(chǎn)生偏差，也會(huì)引起很大的測(cè)量誤差。其中管道內(nèi)徑的設(shè)置和安裝距離對(duì)測(cè)量精度影響比較突出，據(jù)有關(guān)資料介紹，若管道內(nèi)徑誤差±1%，則引起約±3%的流量誤差；若安裝距離誤差±1mm，將產(chǎn)生±1%以內(nèi)的流量誤差。只有正確設(shè)置管道參數(shù)，換能器才能安裝準(zhǔn)確，減少管道參數(shù)設(shè)置對(duì)測(cè)量精度的影響[2]。

（3）換能器安裝位置對(duì)測(cè)量精度的影響換能器的安裝有反射式（V型）和直射式（Z型）兩種方式。利用Z形法安裝聲束行程短，可以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。我公司用于測(cè)量化纖循環(huán)水的兩臺(tái)流量計(jì)先后采用了兩種方式進(jìn)行安裝，Z形的測(cè)量效果明顯優(yōu)于V型，而且另外五個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都采用Z形法安裝，測(cè)量效果比較好。另外，換能器必須安裝在與管線正切的方向，否則會(huì)影響聲波的發(fā)射和接收，進(jìn)而影響測(cè)量精度。

（4）含氣量對(duì)測(cè)量精度的影響含氣量對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)也有很大影響。不溶氣體具有非常低的聲阻抗，可能造成聲束分散，含氣量大時(shí)，將減小聲波信號(hào)的強(qiáng)度，Vaer是該流量計(jì)表征含氣量的參數(shù)，通常狀態(tài)下Vaer<50。用于測(cè)量化纖循環(huán)水的兩臺(tái)流量計(jì)的換能器安裝位置不好，一臺(tái)泵前有一個(gè)大涼水池，泵距換能器間直管段小于10D，測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；另一臺(tái)泵距換能器間直管段距滿足了10D的要求，測(cè)量數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。由于工藝操作的需要，每半個(gè)月循環(huán)水中要加入一次剝離劑，管道中含氣量大量增加。泵至換能器前直管段太短，氣泡嚴(yán)重影響測(cè)量，流量計(jì)停止工作，其間大概持續(xù)兩天時(shí)間。工況恢復(fù)正常時(shí)，流量計(jì)自動(dòng)恢復(fù)工作。因此，要消除含氣量，必須保證換能器前后直管段的長度。

（5）耦合劑對(duì)測(cè)量精度的影響為了保證換能器和管道充分接觸，安裝換能器時(shí)需往管道表面均勻地涂一層耦合劑，一般厚度為2～3mm。應(yīng)將耦合劑內(nèi)的氣泡和顆粒擠出去，換能器的發(fā)射面應(yīng)緊密地貼在管壁上。測(cè)量循環(huán)水的流量計(jì)大多安裝在水井中，安裝環(huán)境潮濕，有時(shí)會(huì)被水淹，如果選用一般的耦合劑，在很短時(shí)間內(nèi)便會(huì)失效，影響測(cè)量精度。因此，必須選用特制的防水耦合劑[3]。

3 超聲波流量計(jì)安裝條件

（1）傳感器探頭軸線處于水平位置，插入式傳感器安裝時(shí)應(yīng)盡可能在管道側(cè)面的正側(cè)線上，以避開上端的氣泡或底部的沉淀物。一般應(yīng)安裝在水平、傾斜或垂直的管道中，垂直管道應(yīng)選擇流動(dòng)自下而上的管段，以防止測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)非滿管流情況。

（2）被測(cè)管道的內(nèi)壁不應(yīng)有嚴(yán)重的結(jié)垢、銹蝕。結(jié)垢、銹蝕層表面粗糙，影響管道內(nèi)徑的確定尺寸，這一尺寸變化1%，將引起體積流量2%的誤差。選擇無結(jié)垢、無銹蝕管段作為測(cè)量點(diǎn)，是儀表測(cè)量精度的保證。

（3）被測(cè)流體為紊流狀態(tài)。超聲波流量計(jì)量測(cè)量的流速范圍在0～15m/s，從層流到紊流儀表系數(shù)有較大的變化，規(guī)定儀表的最低流速，以保證儀表性能的正常發(fā)揮[4]。

4 結(jié)束語

4.1 節(jié)約能源

儀表安裝后，不產(chǎn)生壓力損失，也不會(huì)干擾流體，是一種理想的節(jié)能儀表，尤其是在大流量計(jì)量時(shí)，節(jié)能效果更加顯著。

4.2 適用性強(qiáng)

大多數(shù)流量計(jì)都有口徑相配用的要求，口徑變化時(shí)必須更換相應(yīng)口徑儀表。而插入式超聲波流量計(jì)對(duì)不同管徑不同流量范圍都可以適用。

4.3 解決大口徑計(jì)量難題

其他流量計(jì)目前最大口徑在1～3m，更大口徑計(jì)量尚無儀表可選。而插入式超聲波流量計(jì)可計(jì)量口徑達(dá)5～10m，是大口徑計(jì)量的唯一選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] 聶梅生總，聶梅生，戚盛豪，等.水資源及給水處理：水工業(yè)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001：33-36.

[2] 汪光燾.城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993：3-11.

[3] 程達(dá).流量計(jì)結(jié)構(gòu)、使用、維修和檢定[M].北京：中國石油天然氣管道局，2015：55-56.

[4] JEMIS032-1987.超聲波流量計(jì)的流量測(cè)量方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987.