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超声波流量计在测流量时,粘度、密度补偿设置

2019-09-11    来源:红旗仪表(江苏)有限公司

超声波流量计在测流量时,粘度、密度补偿设置的影响H和工作能耗

封闭管道用USF按测量原理分类有:①传播时间法;②多普勒效应法;③波束偏移法;④相关法;⑤噪声法。本文将讨论用得最多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。
1.1 传播时间法
声波在流体中传播,顺流方向声波传播速度会增大,逆流方向则减小,同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速,称之传播时间法。按测量具体参数不同,分为时差法、相位差法和频差法。现以时差法阐明工作原理。

(1) 流速方程式
如图1所示,超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢,为:

    (1) 
反之,超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快,为:

    (2) 
式(1)减式(2),并变换之,得

    (3) 
式中 L——超声波在换能器之间传播路径的长度,m;
     X——传播路径的轴向分量,m;
     t12、t21——从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间,s;
     c——超声波在静止流体中的传播速度,m/s;
     Vm——流体通过换能器1、2之间声道上平均流速,m/s。
时(间)差法与频(率)差法和相差法间原理方程式的基本关系为
   (4) 
     (5) 
式中 △f——频率差;
△ φ——相位差;
f21,f12——超声波在流体中的顺流和逆流的传播频率;
f——超声波的频率。
从中可以看出,相位差法本质上和时差法是相同的,而频率与时间有时互为倒数关系,三种方法没有本质上的差别。目前相位差法已不采用,频差法的仪表也不多。
(2) 流量方程式
传播时间法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速,而计算流量所需是流通横截面的面平均流速,二者的数值是不同的,其差异取决于流速分布状况。因此,必须用一定的方法对流速分布进行补偿。此外,对于夹装式换能器仪表,还必须对折射角受温度变化进行补偿,才能精确的测得流量。体积流量qv为
     (6) 
式中 K——流速分布修正系数,即声道上线平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比,K=vm/v;
DN-管道内径。
K是单声道通过管道中心(即管轴对称流场的最大流速处)的流速(分布)修正系数。管道雷诺数ReD变化K值将变化,仪表范围度为10时,K值变化约为1%;范围度为100时,K值约变化2%。流动从层流转变为紊流时,K值要变化约30%。所以要精确测量时,必须对K值进行动态补偿。
1) 夹装式换能器仪表声道角的修正 夹装式换能器USF除了做流速分布修正外,必要时还要做声道角变化影响的修正。根据斯那尔(Snall)定律式(7)和图2,声道角θ随流体中声速c的变化而变化,而c又是流体温度的函数(以水为例,见图3),因此,必须对θ角进行自动跟踪补偿,以达到温度补偿的目的。
     (7) 
式中 φ0-超声在声楔中的入射角;
φ1、φ-超声在管壁、流体中的折射角;
c0、c1、c-声楔、管壁、被测流体的声速。
θ角不但受流体声速影响,还与声楔和管壁材料中的声速有关。然而因为一般固体材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级,在温度变化不大的条件下对测量精确度的影响可以忽略不计。但是在温度变化范围大的情况下(例如高低温换能器工作温度范围-40-200℃)就必须对声楔和管壁中声速的大幅度变化进行修正。

2) 多声道直射式换能器仪表的流量方程式直射式换能器仪表的流量方程没有管壁材料折射温度变化影响。多声道仪表常用高斯积分法或其他积分法计算流量。图4是以四声道为例的原理模型,流量计算式(8)所示。
    (8)
式中 DN-测量段内与声道垂直方向上的圆管平均内径或矩形管道的平均内高;
S-高斯修正系数;
Wi-各声道高斯积分加权数;
Li-各声道长度;
Vi-各声道线平均流速;
θi-各声道声道角;
N-声道数。

2.2 多普勒(效应)法
多普勒(效应)法USF是利用在静止(固定)点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。
(1) 流速方程式

如图5所示,超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波,经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射,散射的超声波产生多普勒频移fd,接收换能器B收到频率为fB的超声波,其值为
(9) 
式中 v-散射体运动速度。
多普勒频移fd正比于散射体流动速度
(10)
测量对象确定后,式(10)右边除v外均为常量,移行后得
     (11)

(2)流量方程式
  多普勒法USF的流量方程式形式上与式(6)相同,只是所测得的流速是各散射体的速度v(代替式中的vm),与载体液体管道平均流速数值并不一致;方程式中流速分布修正系数Kd以代替K0 Kd是散射体的“照射域”在管中心附近的系数;其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数。
(3) 液体温度影响的修正
  式(11)中又流体声速c,而c是温度的函数,液体温度变化会引起测量误差。由于固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级,即在式(11)中的流体声速c用声楔的声速c0取代,以减小用液体声速时的影响。因为从图6可知cosθ=sinφ,再按斯纳尔定律sinφ/c=sinφ0/c0,式(11)便可得式(12),其中c0/sinφ0可视为常量。

     (12)
(4) 散射体的影响
实际上多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体,而所测得各散射体速度和载体液体平均流速间的关系也有差别。其他参量如散射体粒度大小组合与流动时分布状况,散射体流速非轴向分量,声波被散射体衰减程度等均影响频移信号。

 
超声波流量计是一种运用非常便当的流量仪表,分外是在大口径供水管线上,便携式超声波流量计可以将探头设备在管道外外表,完结不断流、不损坏原有管线测量流量,因而遭到广大用户的期待。
        超声波流量计有着其它流量计无法比拟的长处,它必定会在不远的将来成为我们测量流量的首选流量计。这儿简略列举几个超声波流量计的长处供我们参看:
        一、外夹式超声波流量计可以完结非接触测流量,即使是刺进式或内贴式超声波流量计,其压损也简直为零,其测流量的便当性与经济性是最佳的。
        二、超声波流量计水、气、油各种介质都可以测量,其运用的领域非常广大。
        三、超声波流量计的制造本钱简直和口径无关,在大口径流量计量场合有着价格合理,设备运用便当的归纳竞赛优势。
        四、便携式超声波流量计可以完结一台流量计在各种管径,各种原料的管线上测流量,是作为标准表进行在线校准、比对或期间核对的首选流量计类型。
        五、超声波流量计具有其测流原理根据长度与时间两个底子物理量的溯源便当性,可以预见它必将逾越其它原理的流量计成为流量标准甚至是流量基准的载体。
        六、超声波流量计工作能耗极小,可便当地完结常年电池供电,加之领先的智能化主机可便当地进行网络无线通信,其运用前景更加广大。
        超声波流量计的发展前景如此看好,一是其测流原理的固有优越性,再便是得益于微电子技术的日新月异。
        当前超声波流量计在供水工作运用最多的首要仍是液体便携式超声波流量计,在实践运用中,不少用户因为对超声波流量计的运用关键把握欠好,测量作用不志向,因而对超声波流量计产生了各种怀疑:“这种流量计测得准吗?”之类的疑问当前已成为业界的热门话题。
        评价一种流量计质量的最佳平台便是流量标准设备,通过对数年来的超声波流量计检定结论进行核算,我们发现:超声波流量计的各项目标与其它速度式流量计等量齐观,并且当流速足够大时其线性分外好。那么我们为安在实践运用时会感觉超声波流量计测量禁绝呢?通过调研、剖析我们发现:用户在运用中通常忽略下面几个问题。
        一、没有精确的对超声波流量计进行检定或校准
        任何流量计运用前都需求进行检定或校准,便携式超声波流量计在这一点尤为重要。我们知道,便携式超声波流量计有三组探头可以挑选(大、中、小),别离适用于不同的管径规模,每组探头与主机的搭配在某种意义上讲都是一套独立的流量计。


HQTDS-100F插入式超声波流量计以速度差法为原理,测量圆管内液体流量。本系列仪表采用了数字发射、数字接收、数字分析、数字输出等先进的微功耗数字化设计技术,仪表计量准确、运行可靠、更适于工业现场的需求。转换器形式有:壁挂式、盘装式、一体式;传感器形式有:插入式、管段式、外夹式。
详情介绍:

 

一、插入式超声波流量计产品介绍

HQTDS-100F插入式超声波流量计以速度差法为原理,测量圆管内液体流量。本系列仪表采用了数字发射、数字接收、数字分析、数字输出等先进的微功耗数字化设计技术,仪表计量准确、运行可靠、更适于工业现场的需求。转换器形式有:壁挂式、盘装式、一体式;传感器形式有:插入式、管段式、外夹式。

二、插入式超声波流量计产品特点

 

 微功耗、数字化设计。整机采用微功耗硬件及软件设计,对超声波信号进行数字发射、

数字接收和数字分析,达到了**的数字化设计,整机功耗小于0.3W。电池供电型整机功耗只有0.2mW。

 卓越的计量和管理功能。在软件设计上采用先进的分析和计算技术,保证准确的计量功

能。另外设计了先进的管理功能,该系列仪表能在任何时间查阅前十年任何时候的仪表运行数据。

 灵活的维护性能。采用换向自适应技术,使该系列仪表能够自动消除测量过程的零点误差,并能够在维修过程中任意更换转换器和传感器,不影响测量准确度。

 汉字化技术。仪表的数据输入和测量过程显示全部汉字化,使操作者不使用说明书即可操作。

 插入式超声流量计:可不停产安装和维护。采用陶瓷传感器,使用我公司专用钻孔装置进行不停产安装。一般为单声道测量,为了提高测量准确度,可选择三声道。

 管段式超声流量计:需切开管路安装,但以后的维护可不停产。可选择单声道或三声道传感器。

● 外夹式超声流量计:能够完成固定和移动测量。采用专用耦合剂(室温固化的硅橡胶或高温长链聚合油脂)安装,安装时不损坏管路。

三、插入式超声波流量计技术参数 

 

 

插入式超声波流量计

管段式超声波流量计

外加式超声波流量计

管径范围(mm)

DN80-4000

DN20-2000

DN20-4000

流速范围(m/s)

0.01~12

准确度(%)

单声道

双声道

三声道

单声道

双声道

三声道

1.5

1.0

1.0

0.5

1.0(校正0.5)

0.5

0.5

测量介质

饮用水、河水、海水、地下水、冷却水、高温水、污水、润滑油、柴油、燃油、化工液体、其他均质流体

管道材质

金属(如碳钢、铸铁、不锈钢、铝等)非金属材质(如PVC,有机玻璃等)

管衬材质

玻璃钢、沙浆、橡胶等

信号输出

1、4-20mA:阻抗小于800Ω,光电隔离,准确度0.1%。
2、累计脉冲输出:光电隔离,无源开路输出,传输距离小于500m。
3、RS-485:光电隔离,波特率可选择,传输距离大于1.6Km.
4、打印机:RS-232串口模式。打印机为选配件。
5、M-BUS.

键  盘

2×8汉字键盘

显示器

2×10汉字显示或英文显示

测量功能

显示瞬时流量、瞬时流速、正累计流量、负累计流量、净累计流量、累计运行时间、瞬时供热量、累计共热量、断电时间等。

数据存贮

可存贮前720小时,前365天,前36个月和前十年的测量数据,包括瞬时流量、累计流量、断电时间等。

环境温度

转换器:-10~45℃(特殊环境请说明)
传感器:-40~+60℃(常温型)
        -40~+160℃(高温型)

传感器材质

不锈钢和陶瓷

不锈钢和普通碳钢

常温型为尼龙高温型为合金铝

传感器承压能力

管内部分压力小于4.5MPa

DN20~700mm小于2.5MPa
DN800~2000mm小于1.6MPa

与管道内压力无关建议不浸水工作

传感器防护等级

IP68

转换器防护等级

壁挂式转换器:IP65  盘装式转换器:IP52  一体式转换器:IP67

防爆等级

EXdⅡBT6

传感器电缆长度

< 500m

< 500m

< 300m

传感器电缆型号

专用电缆SEYV-75-2(直径7mm),越短越好,减少干扰,也可以加长到300m若长要加粗电缆

工作电源

AC220V, DC12~36V 0.8A (可选)

转换器外形尺寸

 壁挂式:213×185×107mm 盘装式:160×80×250mm 一体式:185×140×100mm

传感器外形尺寸

220×ø20(杆部)×ø50(连接部)mm

见管段传感器数据表

60×40×35mm

转换器重量

壁挂式:1.2Kg  盘装式:0.8Kg  一体式:1.4Kg

传感器重量

0.7Kg/支

见管段传感器数据表

0.2Kg/支

热量测量功能

测量供热量、热损耗、入口温度、出口温度


 

四、插入式超声波流量计流量范围

 

 

管段式传感器外型尺寸
内径(mm)
DN
安装长度(mm)
L
法兰尺寸(mm)
重 量
(Kg)
额定压力
(MPa)
   
D
Do
N×A
       
300
412
485
  1. 1.0
12×26
  1. 1.1
  1. 1.6
350
447
535
  1. 1.0
12×30
  1. 1.9
 
400
481
600
  1. 1.0
16×30
102
 
450
516
635
  1. 1.0
16×33
114
 
500
552
700
  1. 1.0
20×33
148
 
600
621
815
  1. 1.5
20×36
212
 
700
692
915
850
24×36
336
  1. 1.0
800
759
1046
970
24×40
500
 
1000
894
1288
1200
28×44
821
 
1200
1030
1522
1434
32×44
1303
 
1400
1164
1778
1670
32×48
1914
 
1600
1298
1982
1874
36×48
2442
 
1800
1432
2236
2114
36×52
3411
 
2000
1566
2446
2324
40×52
4262
五、插入式超声波流量计安装示意图

 

六、插入式超声波流量计现场实物安装图


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