超聲流量計(jì)在液體流量儀表在線校準(zhǔn)中的應(yīng)用

陳現(xiàn)

摘 要：為了保證液體流量儀表工作的準(zhǔn)確性，我們通常需要定期校準(zhǔn)儀表。在線校準(zhǔn)是當(dāng)前運(yùn)用比較廣泛的一種校準(zhǔn)方法，而將超聲流量計(jì)應(yīng)用于液體流量計(jì)在線校準(zhǔn)中能顯著提高校準(zhǔn)結(jié)果的精確度。

關(guān)鍵詞：超聲流量計(jì)；液體流量儀表；在線校準(zhǔn)；傳感器

中圖分類號：TH814.92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.120

液體流量儀表具有多種多樣的用途，其在節(jié)約企業(yè)成本、降低生產(chǎn)能耗等方面發(fā)揮著重要作用。由于一些液體流量儀表的體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆卸工作往往比較復(fù)雜，而在線校準(zhǔn)可以避免拆卸儀表系統(tǒng)這一環(huán)節(jié)。因此，目前大多數(shù)企業(yè)在校準(zhǔn)液體流量儀表時都采用這種方法，同時還將超聲流量計(jì)運(yùn)用到校準(zhǔn)過程中，大大提高了校準(zhǔn)工作的效率和準(zhǔn)確性。

1 超聲流量計(jì)的工作原理

從當(dāng)前來看，在液體流量計(jì)校準(zhǔn)中，傳統(tǒng)的離線校準(zhǔn)方法已不能滿足檢測行業(yè)發(fā)展的需求，在線校準(zhǔn)方法應(yīng)運(yùn)而生。在線校準(zhǔn)在校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性方面具有明顯的優(yōu)勢。在液體流量計(jì)在線校準(zhǔn)過程中，通常會用到超聲流量計(jì)，其主要工作原理是通過檢測不同流速的液體所產(chǎn)生的超聲波信號，確定其流量值。將超聲波流量計(jì)運(yùn)用到流量儀表在線校準(zhǔn)中可采取多種多樣的方法，常用的在線校準(zhǔn)方法主要有多普勒法、傳播速度差法等。超聲波流量計(jì)在液體流量儀表在線校準(zhǔn)中主要采用的是傳播速度差法。該方法利用測量超聲波逆流和脈沖所傳播的時速差別來確定液體的流速，由于超聲波信號傳遞所受的干擾較小，因此這種方法具有較高的準(zhǔn)確度。通常來講，在介質(zhì)靜止的狀態(tài)下，聲波在液體中的實(shí)際傳播速度由流體軸向平均速度在聲波傳遞方向上的分量和聲波的傳播速度組成。在液體流量儀表在線校準(zhǔn)的過程中，應(yīng)考慮到逆流傳播時間與順流傳播時間之間的關(guān)系，并靈活運(yùn)用液體流速的計(jì)算公式。

超聲波在靜止液態(tài)中的傳播速度與其在動態(tài)液體中的傳播速度有相當(dāng)大的不同，超聲波本身的傳播速度與液態(tài)流體的流動速度有很大關(guān)系，而超聲波流量計(jì)就是利用這個原理來工作

的，如圖1所示。流體軸向平均流速可表示為：

式（1）中：Vm為流體軸向平均流速； 為聲道角，L為聲道長度；tdown為流體順流中超聲波傳播時間；tup為流體逆流中超聲波的傳播時間。

2 影響超聲波測量結(jié)果的因素

在利用超聲流量計(jì)在線校準(zhǔn)液體流量儀表時，應(yīng)考慮到超聲波測量結(jié)果的影響因素。影響超聲波測量結(jié)果的因素有很多，主要有以下三個方面。

2.1 耦合劑

在利用超聲流量計(jì)在線校準(zhǔn)液體流量儀表時，通常需要在換能器表面涂抹一層耦合劑。涂抹耦合劑是為了方便測量，但如果耦合劑的涂抹不符合要求，就會對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度造成影響。有些測量人員測出的數(shù)據(jù)偏大，這在很大程度上就是由于涂抹的耦合劑太厚造成的。

2.2 聲速

聲速是影響超聲測量結(jié)果的重要因素之一。聲速的差異使得超聲波在測量過程中的往返時間不同，這就會導(dǎo)致測厚結(jié)果的差異。聲速的不同主要是由周圍溫度差異、材質(zhì)不均勻、應(yīng)力不同等造成的。

2.3 測厚探頭與鏡片表面不垂直

在利用超聲流量計(jì)在線校準(zhǔn)液體流量儀表時，要注意測厚探頭的設(shè)置。按照操作的規(guī)范要求，測厚探頭應(yīng)盡量與鏡片表面保持垂直，然而，一些測量人員由于缺乏液體流量計(jì)在線校準(zhǔn)方面的基本知識，往往會忽視對測厚探頭的設(shè)置，造成測厚探頭與鏡面表面不垂直，最終影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 應(yīng)用超聲流量計(jì)時應(yīng)注意的問題

3.1 選點(diǎn)的問題

在利用超聲流量計(jì)在線校準(zhǔn)液體流量儀表時，應(yīng)注意選點(diǎn)的問題。一旦選點(diǎn)不符合要求，便會導(dǎo)致管道出現(xiàn)擾動流和氣泡；同時，確定安裝的距離也是很重要的環(huán)節(jié)。一般情況下，安裝距離應(yīng)根據(jù)上下游位置的不同來確定——在上游，應(yīng)選擇大于10倍直管徑的位置；在下游，應(yīng)選擇5倍直管徑以內(nèi)沒有彎頭、閥門等材質(zhì)均勻的直管段。此外，安裝的地點(diǎn)應(yīng)盡量避開高壓電、變頻器等主要干擾物，且直管段的長度應(yīng)盡量加長，這樣更有利于消除各種不利因素。

3.2 管段選取的問題

在選擇測量管道的過程中，應(yīng)保證選取的管段內(nèi)部流體充足。管段的材質(zhì)應(yīng)均勻分布，有利于超聲波信號的傳輸。此外，管段內(nèi)液體的流向也對校準(zhǔn)結(jié)果具有直接影響，例如在垂直管段，液體的流向必須朝上。

3.3 傳感器的安裝

在在線校準(zhǔn)工作中，傳感器的安裝對校準(zhǔn)工作的質(zhì)量有很大的影響，因此，校準(zhǔn)人員必須重視傳感器的安裝工作。對于傳感器的位置，應(yīng)選擇在管段軸面的水平方向上，并與軸面水平方向呈±45°角。在安裝的過程中，應(yīng)避免安裝在管段的正下方或者正上方，這樣才能避免上部氣泡或下部沉淀等因素對傳感器的正常測量造成影響。如果在安裝的過程中受條件限制不能水平安裝，則應(yīng)當(dāng)在滿足管段內(nèi)無氣泡的條件下，使傳感器的安裝與水平方向垂直或具有一定的傾角。

3.4 管內(nèi)清潔狀況

校準(zhǔn)人員應(yīng)注意管內(nèi)的清潔狀況，盡量選擇清潔、無結(jié)垢的管道來安裝測量儀器。如果不能滿足要求，則應(yīng)當(dāng)將結(jié)垢作為內(nèi)襯來提高測量的精度，并在測量之前打磨管壁，然后用測厚儀測量壁厚。如果出現(xiàn)的數(shù)據(jù)偏差較大，則應(yīng)當(dāng)另選打磨點(diǎn)。

4 超聲流量計(jì)的應(yīng)用方法

4.1 技術(shù)要求

液體流量儀表在線校準(zhǔn)工作的技術(shù)要求比較高，其技術(shù)要求主要體現(xiàn)在以下3個方面：①在線校準(zhǔn)過程中運(yùn)用的超聲流量計(jì)應(yīng)當(dāng)符合國家相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并具備質(zhì)量鑒定單位出具的證書。超聲流量計(jì)往往都具有一定的誤差，但是基本誤差應(yīng)

不超過±0.5%. 目前，大多數(shù)企業(yè)運(yùn)用的超聲流量計(jì)都是便攜式超聲流量計(jì)。該流量計(jì)的安裝必須符合國家相關(guān)的操作規(guī)范。②在線校準(zhǔn)時，應(yīng)考慮到周圍環(huán)境的溫度、濕度、磁場和外界振動等條件，確保將開展液體流量儀表在線校準(zhǔn)工作的不利影響降到最低，同時還必須考慮到超聲波傳輸介質(zhì)的因素，保證介質(zhì)溫度等參數(shù)符合校準(zhǔn)工作的要求。③應(yīng)檢驗(yàn)在線校準(zhǔn)工作中需要用到的輔助儀器設(shè)備，例如測厚儀、卷尺、秒表等，一旦發(fā)現(xiàn)有不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的輔助設(shè)備，應(yīng)及時更換。楔式流量計(jì)流量測量如圖2所示。

1—法蘭；2—高壓取壓口；3—楔形件；4—低壓取壓口；5—管道；6—變送器

圖2 楔式流量計(jì)流量測量示意圖

4.2 測量流程及方法

在利用超聲流量計(jì)在線校準(zhǔn)液體流量儀表的過程中，應(yīng)注意測量流程的安排。首先，應(yīng)測量管徑，管道的外直徑可以通過測量若干次外直徑來計(jì)算出平均值，也可以通過測量管道周長來推算出管徑。然后，應(yīng)測量壁厚和安裝標(biāo)準(zhǔn)表。在測量壁厚時，應(yīng)利用測厚儀逐一測量不同點(diǎn)的管道壁厚，然后計(jì)算出平均值。在安裝標(biāo)準(zhǔn)表的過程中，首先必須確定安裝的距離，安裝人員應(yīng)根據(jù)事先測得的管道參數(shù)計(jì)算得出最適當(dāng)?shù)陌惭b距離。此外，還應(yīng)當(dāng)做好管壁的清理工作，保證管壁能與換能器的表面貼合。最后，應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)檢查，在可停流的管道上測量流量計(jì)的零點(diǎn)流量。如果發(fā)現(xiàn)有不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況，則應(yīng)采用動態(tài)零點(diǎn)檢驗(yàn)的方法解決。在測量工作中，要嚴(yán)格按照相關(guān)的測量程序，保證測量的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

總而言之，超聲流量計(jì)在液體流量儀表在線校準(zhǔn)中的應(yīng)用大大提高了校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，但是校準(zhǔn)的過程仍然受到許多因素的影響，需要注意的問題也很多，這就要求校準(zhǔn)人員不斷完善自身技術(shù)，提高校準(zhǔn)工作的質(zhì)量。

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〔編輯：王霞〕