張洪福

(中國(guó)化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司 , 河南 開封 475002)

作為典型的非接觸式儀表產(chǎn)品，超聲波流量計(jì)能夠在無(wú)法接觸或不能直接觀察的流體及大管徑流量測(cè)量過(guò)程中發(fā)揮作用。超聲波流量計(jì)不需將測(cè)量元件安裝在落體內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)流體的流動(dòng)狀態(tài)變化，不存在附加阻力，無(wú)論安裝還是儀表檢修，生產(chǎn)管線的運(yùn)行狀態(tài)都不會(huì)受到任何影響。所以，這是一種相對(duì)較為科學(xué)的節(jié)能型流量計(jì)，主要包括捆綁式和插入式兩種。在捆綁式超聲波流量計(jì)方式得到廣泛應(yīng)用以后，發(fā)現(xiàn)傳感器的固定方式容易出現(xiàn)位移，進(jìn)而發(fā)生耦合劑的流失現(xiàn)象，包括傳感器探頭距離不好控制，最終出現(xiàn)測(cè)量值不準(zhǔn)確等問(wèn)題。所以對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行調(diào)整，推出了插入式測(cè)量方式。

1 LRF-3000SW插入式超聲波流量計(jì)

LRF-3000SW插入式超聲波流量計(jì)與之前捆綁式進(jìn)行比較，應(yīng)用范圍相對(duì)更為廣泛，該方式可以通過(guò)“在線帶壓”的方式進(jìn)行安裝，操作流程并不復(fù)雜。應(yīng)用最為先進(jìn)的數(shù)字以及智能技術(shù)等，在提高測(cè)量穩(wěn)定性的同時(shí)，改善了之前測(cè)量的不準(zhǔn)確問(wèn)題。其所具備的核心特征包括：①無(wú)論是測(cè)量還是檢測(cè)設(shè)備，都不影響生產(chǎn)線的正常運(yùn)作；②累積流量測(cè)量難度相對(duì)較高；③可以在無(wú)故障前提下，連續(xù)工作超過(guò)50 000 h；④分時(shí)段進(jìn)行流量監(jiān)控；⑤鍵盤按鍵使用周期甚至可以突破200 000次。插入式超聲波流量計(jì)詳細(xì)情況如下：安裝方式，掛墻式；流速范圍，-5～5 m/s；準(zhǔn)確度，測(cè)量值的±1%；重復(fù)性，0.2%；流速范圍，-12～12 m/s；電源，10～36 V直流電或10～24 V交流電，最大電流1 A；通訊接口，RS-485通訊接口，支持Modbus協(xié)議；模擬輸出，4～20 mA，最大負(fù)載為750 Ω；OCT脈沖輸出為0～5 000 Hz。

2 插入式傳感器的種類及特點(diǎn)

插入式傳感器主要包括4種類型，現(xiàn)將不同類型傳感器的特征進(jìn)行總結(jié)。

2.1 斜插型傳感器特點(diǎn)

①傳感器外徑超過(guò)了所有晶片直徑；②結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單；③斜插折射型傳感器發(fā)射面能夠與管內(nèi)壁保持平行狀態(tài)，主要目的是降低發(fā)射面結(jié)垢問(wèn)題出現(xiàn)的概率；④斜插直射型不需要楔形導(dǎo)聲座發(fā)揮作用，而且信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)更高；⑤斜插型傳感器在具體安裝階段內(nèi)，管道位置進(jìn)行斜孔的開鉆往往難度較高，尤其處于帶壓施工狀態(tài)；⑥開孔位置的確定往往存在不準(zhǔn)確等問(wèn)題，這些都是影響信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)鍵性因素。

2.2 直插型傳感器特點(diǎn)

①采用帶閥安裝結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)楹罄m(xù)帶壓施工創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件，能夠在不完全排空液體的條件下，盡快實(shí)現(xiàn)操作目標(biāo)；②與管道壁保持垂直狀態(tài)進(jìn)行打孔，傳感器傳導(dǎo)的定位信息一定要準(zhǔn)確，這樣才能夠避免對(duì)儀器精準(zhǔn)性造成不良影響；③直插折射型傳感器發(fā)射面也要與內(nèi)管壁保持平行狀態(tài)，這樣操作也會(huì)為了降低結(jié)垢現(xiàn)象，同時(shí)避免對(duì)流體產(chǎn)生擾動(dòng)影響；④直插直射型傳感器信號(hào)強(qiáng)度會(huì)領(lǐng)先于直插折射型傳感器；⑤直插型傳感器具體安裝過(guò)程中并無(wú)特殊角度要求，只需要確保方向與內(nèi)管壁平行即可；⑥直插型傳感器安裝的作用是發(fā)揮指向性作用，雖然確保傳感器信號(hào)保持最強(qiáng)狀態(tài)。該論題研究階段內(nèi)應(yīng)用的LRF-3000SW插入式超聲波流量計(jì)是典型的直插直射類型傳感器。

3 實(shí)際安裝問(wèn)題及解決方案

LRF-3000SW插入式超聲波流量計(jì)實(shí)際安裝、調(diào)試階段內(nèi)，測(cè)量精準(zhǔn)度出現(xiàn)的問(wèn)題匯總?cè)缦隆?/p>

3.1 探頭安裝方式選擇不當(dāng)

V法安裝，詳細(xì)情況如圖1所示，屬于典型的折射法操作方式，在管道的相同側(cè)進(jìn)行流量計(jì)探頭的安裝，所以超聲波束最終都會(huì)被另外一個(gè)攝像頭接受，確保兩個(gè)探頭始終保持平行狀態(tài)，而且中心線與管道軸線也不能出現(xiàn)位移。Z法安裝如圖2所示，研究領(lǐng)域?qū)⑵浞Q之為透過(guò)法。

圖1 探頭V法安裝

圖2 探頭的Z法安裝

在管道的兩側(cè)進(jìn)行探頭安裝，而且超聲波束發(fā)射以后，會(huì)最終被另外一側(cè)的探頭接收。如果采用Z法安裝方式，超聲波可以在不需要折射的情況下直接進(jìn)行管道傳輸，所以涉及的信號(hào)衰退問(wèn)題會(huì)相對(duì)較差，只要管道內(nèi)壁不存在腐蝕，則不會(huì)對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果造成不良影響。具體操作階段內(nèi)，最終結(jié)論是：一般管徑相對(duì)有限的情況下，可以使用V方式進(jìn)行安裝；相反，如果管徑較大，而且存在懸浮物的概率很高，則V方式進(jìn)行安裝會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的信號(hào)衰退等問(wèn)題，因此Z法應(yīng)用會(huì)更為有效。后續(xù)進(jìn)行安裝施工操作，為了改善儀表測(cè)量的精準(zhǔn)度，管徑如果超過(guò)DN300，全部建議使用Z法進(jìn)行安裝[1]。

3.2 探頭測(cè)量點(diǎn)選擇不當(dāng)

為了避免測(cè)量精準(zhǔn)度較低，測(cè)量點(diǎn)的選擇往往十分關(guān)鍵。開展超聲波流量計(jì)量操作，被測(cè)量液體必須滿足被聲波穿透的要求，如果液體中含有太多的雜質(zhì)或者懸浮物，由于不能滿足被穿透要求，最終測(cè)量精準(zhǔn)度一定存在問(wèn)題。安裝點(diǎn)的選擇要參照以下條件：①測(cè)量斷面要滿足最優(yōu)化要求，這樣才能確保管道內(nèi)被液體充盈，方便進(jìn)行超聲波的傳輸；②不能在管道系統(tǒng)的最高位置或者流體的最低位置進(jìn)行測(cè)量；③開口或半滿管的管道傳感器需要在U 管段的最低處進(jìn)行安裝；④為了確保流體能夠保持與管道中心的平衡流動(dòng)狀態(tài)，測(cè)量點(diǎn)的上游以及下游都可進(jìn)行合理整流；⑤安裝點(diǎn)不能靠近閥門、高壓電等設(shè)備，避免對(duì)流量產(chǎn)生干擾；⑥避免溫度、壓力等不滿足系統(tǒng)操作要求；⑦提高測(cè)量精準(zhǔn)度，轉(zhuǎn)換器安裝位置與探頭的距離應(yīng)當(dāng)控制在300 m范圍內(nèi)。通過(guò)有效篩選，在儀表井中完成探頭的安裝，與泵的水平管段保持一定距離，避免由于存在不滿管或者有氣泡等問(wèn)題，對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)造成不良影響。

3.3 上下游探頭相對(duì)位置不當(dāng)

上下游探頭未達(dá)到在管道相同釉面進(jìn)行精準(zhǔn)安裝的要求，發(fā)射的超聲波與另一端接收的超聲波探頭出現(xiàn)了位移性偏差；上下游探頭安裝距離為滿足精準(zhǔn)度要求，發(fā)射超聲波束與接收方探頭有前后位置誤差。上下游探頭位置設(shè)置失當(dāng)，這些都會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致接收不到任何的信號(hào)。為了確保兩個(gè)傳感器能夠處于相同釉面內(nèi)，具體操作時(shí)，可以對(duì)比較實(shí)用的操作方法進(jìn)行總結(jié)：進(jìn)行矩形紙帶的制造，將其纏繞在干凈管道外，同時(shí)兩條縱邊要完全對(duì)齊。

3.4 探頭插入管道深度不當(dāng)

傳感器的插入必須對(duì)探頭的深入距離以及相互角度進(jìn)行控制，否則會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：①如果深入長(zhǎng)度過(guò)大，導(dǎo)致超聲波傳輸距離降低，最終在測(cè)量時(shí)間有限的情況下，無(wú)法保證準(zhǔn)確性；②如果深入長(zhǎng)度過(guò)短，即晶體片沒(méi)有完全露出管內(nèi)壁，超聲波在傳播過(guò)程中出現(xiàn)了折射或者反射問(wèn)題，最終信息不能被有效接受而影響了測(cè)量結(jié)果；③相互角度的錯(cuò)位也會(huì)引發(fā)相同問(wèn)題產(chǎn)生。具體安裝階段時(shí)，可以應(yīng)用的

管道插入深度控制方式如下：安裝操作開始之前，要了解傳感器的總長(zhǎng)度，以及包括對(duì)管道壁厚度進(jìn)行測(cè)量，插入探頭以后，只需要對(duì)測(cè)量管外傳感器長(zhǎng)度進(jìn)行控制，則可以避免上述問(wèn)題產(chǎn)生[2]。對(duì)于相互角度的控制方式包括：安裝操作之前，可以進(jìn)行模擬施工，在對(duì)應(yīng)探頭位置進(jìn)行標(biāo)記，插入管道以后，由于不能直接進(jìn)行觀測(cè)，則可以通過(guò)事先做的標(biāo)記進(jìn)行高度控制。需要注意整個(gè)安裝階段，接線盒一定不能進(jìn)水，所以盡可能保持接線盒處于向下狀態(tài)。

4 安裝注意事項(xiàng)

①測(cè)量位置要選擇直管段，而且壁厚要均勻，直徑不能過(guò)大，不能有彎頭或者阻流等現(xiàn)象存在。上游30 D范圍內(nèi)不能存在干擾流場(chǎng)的裝置設(shè)備。超聲波流量計(jì)也會(huì)對(duì)內(nèi)流體的流場(chǎng)提出明確要求，否則也會(huì)導(dǎo)致最終測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重誤差[3]。②選擇滿管的直管段，首選流體為向上滿流或者處于水平流動(dòng)狀態(tài)的管段。在水平管路進(jìn)行傳感器的安裝，夾角控制也十分重要，不能選擇管道最高點(diǎn)，或者有氣泡以及雜質(zhì)較多的區(qū)域，否則一旦信號(hào)強(qiáng)度受到影響，勢(shì)必導(dǎo)致無(wú)法處于正常工作狀態(tài)。③要為測(cè)量工作的開展提供足夠的空間以及適宜的溫度。④考慮是否存在內(nèi)管壁結(jié)垢現(xiàn)象，如果管道對(duì)應(yīng)區(qū)域腐蝕嚴(yán)重，則可以通過(guò)手錘擊打管壁的方式去除污垢，避免對(duì)聲波的正常傳播造成不良影響。而管壁結(jié)垢過(guò)于嚴(yán)重，需要將結(jié)垢以后的襯里作為測(cè)量對(duì)象，這樣才能避免測(cè)量精準(zhǔn)度出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。⑤超聲波流量計(jì)的傳感器安裝處位置與管壁反射位置都不能存在焊接的接口，或者有不均勻分布等現(xiàn)象。將保溫層以及保護(hù)層排除在外，對(duì)換能器的安裝位置進(jìn)行打磨處理，將影響污垢等雜質(zhì)全部去除的準(zhǔn)確性。⑥超聲波流量計(jì)的使用環(huán)境需要擺脫強(qiáng)磁、振動(dòng)等因素干擾。如果附近有高壓電箱，或者公路車流量很大，也會(huì)使流量計(jì)測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。流量計(jì)的工作電源要避免與其他高壓設(shè)備使用相同的電源，且金屬套管進(jìn)行屏蔽保護(hù)十分重要的。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，LRF-3000SW插入式超聲波流量計(jì)不僅使計(jì)量工作變得更為簡(jiǎn)單，而且成本相對(duì)較低，因此應(yīng)用范圍相對(duì)廣泛。了解了LRF-3000SW插入式超聲波流量計(jì)測(cè)量精度安裝方面存在的問(wèn)題，并有針對(duì)性地提出解決方案，包括具體安裝操作階段時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)，這樣在保持穩(wěn)定使用狀態(tài)的前提下，測(cè)量結(jié)果也會(huì)更精準(zhǔn)。