李少華 李云龍

（丹東源聲中科電子有限公司，丹東 118002）

1 研究背景

流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)，流量測量數(shù)據(jù)是企業(yè)進行生產(chǎn)自動化控制、進行經(jīng)濟核算的重要依據(jù)。隨著工業(yè)檢測領域?qū)α髁繖z測儀表的性能要求越來越高，現(xiàn)有的常規(guī)流量計，如基于差壓式、容積式、渦街式、電磁式、超聲時差法和多普勒頻移法原理的流量儀表，由于在不同程度上受限于流體的物理性質(zhì)、流體流動的特性、安裝工藝條件、維護需求及經(jīng)濟性等原因，不能完全適用于復雜的管道流體應用環(huán)境。隨著聲吶檢測技術的發(fā)展，研發(fā)高可靠性、高精確性的聲吶在線流量計，成為市場的迫切需求。

對現(xiàn)有流量檢測產(chǎn)品應用效果的調(diào)查顯示，近20%的流量計因無法適應工業(yè)復雜應用環(huán)境條件，無法滿足工藝生產(chǎn)過程質(zhì)量和計量需求。聲吶流量計正是瞄準工業(yè)復雜應用環(huán)境而開發(fā)的一種流量檢測高端產(chǎn)品，利用被動聲吶檢測分析原理，實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的非接觸測量，可應用于常規(guī)流量計無法準確檢測的領域。

2 聲吶流量計測量原理

聲吶流量的傳感器計由柔性壓電PVDF薄膜制成，其圍繞圓管周圍沿流體流動方向等距包裹應變測量，組成線性應變測量陣列。圓管內(nèi)流動的流體由于自身流體粘性和管壁粗糙，在雷諾數(shù)大于一定數(shù)值時產(chǎn)生湍流，湍流內(nèi)的渦團由大渦到耗散渦的耗散分布產(chǎn)生了湍流的能量譜或波數(shù)譜。如圖1所示，渦團的脈動在管壁內(nèi)形成切向應變，通過圓管壁傳遞由應變測量傳感器陣列接收并檢測到，由此得到管內(nèi)流體的湍流信號。

圖1 圓管內(nèi)的湍流渦團示意圖及流速測量方法

由于包裹圓管的應變測量傳感器是由圍繞圓管一周的壓電薄膜構成，因此，得到的渦團脈動信號相當于處于流速截面上的渦團脈動信號的積分。隨著流體的流動，整體渦團的脈動隨流體具有相同的流速。理論上，通過具有相同間隔的應變測量傳感器陣列的陣元測量得到的信號即可得到流速。如下式所示，即：

式中，ΔL為陣元之間的距離；ΔT為相鄰兩個陣元之間測量得到的信號時差。渦團信號如圖2所示。

圖2 包裹圓管的傳感器測量得到渦團信號方法

3 聲吶流量計介紹

3.1 聲吶流量計技術參數(shù)

管道直徑：DN50至DN900

流速范圍：單相或多相液體，1～10m/s

流率精度：±1.0%讀數(shù)值

重復性：±0.3%讀數(shù)值

夾帶氣體范圍：0%～20%

夾帶氣體精度：±5.0%讀數(shù)值，0.01%～20%

夾帶空氣體重復性：±1.0%讀數(shù)值，0.01%～20%

傳感器：PVDF壓電薄膜傳感器帶

3.2 聲吶流量計典型應用領域

聲吶流量計屬于流量計市場的高端產(chǎn)品，在流量檢測精確度和可靠性方面具有常規(guī)流量計所不具有的專有技術優(yōu)勢，可廣泛應用于冶金礦山等領域的礦物分離、精礦區(qū)域、泵站和長距離輸送濃縮礦漿與過程水等，還可應用于石油、天然氣、油砂加工、發(fā)電、化工、紙漿及造紙、供水及廢水處理等行業(yè)。

4 聲吶流量計應用特點

第一，聲吶流量計壓力損失小、量程范圍大、精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。

第二，聲吶流量計無可動機械零件，因此，可靠性高、維維護量小、結構簡單而牢固，長期運行十分可靠。

第三，管道外部安裝，探頭不受管道類型和管道材料影響。

第四，探頭包裹在管道外壁，無需法蘭，不與測量介質(zhì)進行接觸，避免管道泄漏風險，性能穩(wěn)定、壽命長。

第五，儀表輕便，安裝簡單，無需停產(chǎn)，即使大管道安裝，也無需起重工具，兩人即可輕松完成安裝，維修十分便捷。

5 結語

從理論提出到實踐應用，聲吶流量計已有多年的發(fā)展歷程，其產(chǎn)品的商業(yè)化程度越來越高，潛在的市場需求也越來越大。然而，任何一種流量計都不可能在所有的多相流條件下均表現(xiàn)出最佳的工作性能。現(xiàn)有的聲吶流量計實際能達到的測量準確度和適用范圍都有一定限度，每一種流量計分別適用于特定的流量范圍或者流型，這在很大程度上限制了聲吶流量計的推廣和應用。因此，如何進一步提高聲吶流量計的測量精度并拓寬多相流量計的工作范圍，是目前聲吶流量計開發(fā)中所面臨的重要挑戰(zhàn)，作為一項真正替代傳統(tǒng)流量計的新技術，聲吶流量計仍需不斷完善和發(fā)展。