多普勒超聲流量計(jì)的研究與應(yīng)用

陳芙蓉，裴 銳,2

（1.沈陽計(jì)量測試院，沈陽 110179；2．沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

多普勒超聲波流量計(jì)可用于檢測多相流介質(zhì)，主要由變送器和傳感器單元組成。變送器主要完成超聲信號的發(fā)射和接收，以及流量計(jì)算、顯示輸出等功能，由傳感器進(jìn)行信號的能量轉(zhuǎn)換。其采用外夾式超聲波測量方法，安裝簡單（夾抱在工藝管道上，無需停車），無磨損，可在線維護(hù)（幾乎不需要維護(hù)），適用于不同管徑，可輸出瞬時(shí)流速、瞬時(shí)流量、總流量，界面直觀，操作簡便。其采用4mA ～20mA 隔離電流輸出，RS-485 現(xiàn)場總線接口，高、低流量報(bào)警（兩路開關(guān)量），適用于鋼鐵、硬質(zhì)塑料等硬質(zhì)管材，可以對多種管徑、壁厚和管內(nèi)含有懸浮固體顆?；驓馀莸亩嗔黧w進(jìn)行測量，適用于礦山、油田、冶金、化工、煉油、造紙、食品、城市污水處理廠及環(huán)保監(jiān)測等行業(yè)，適用于城市排水、工業(yè)廢水、生活污水、泥漿、紙漿、油水混合液等流量計(jì)量[1-4]。

1 工作原理

當(dāng)流體中含有懸浮粒子時(shí)，粒子將隨著流體一起運(yùn)動。當(dāng)一束頻率為f 的連續(xù)超聲波沿著與流速成θ 角的方向傳播時(shí)，則粒子散射的超聲波頻率fs和f 之間將服從多普勒關(guān)系。在此理論基礎(chǔ)上，可通過計(jì)算頻率差值得到超聲波流量。如圖1 所示。

圖1 多普勒原理圖Fig.1 Doppler schematic diagram

通過流量計(jì)的信號處理系統(tǒng)，可得到介質(zhì)流速為：

相應(yīng)的管道信息為已知條件，上位機(jī)通過一定的算法，可容易得出管道內(nèi)的瞬時(shí)流量為：

式（2）中：Q 為瞬時(shí)流量；V 為介質(zhì)速度；Rn為修正系數(shù)；D為管徑大小。

多普勒流量計(jì)的基本工作原理是建立在多普勒效應(yīng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)物理學(xué)上的多普勒效應(yīng)，發(fā)射信號和接收信號由于相對運(yùn)動而產(chǎn)生的頻率變化，變化的大小與兩物體之間的相對速度有一定的邏輯聯(lián)系，一般呈現(xiàn)正相關(guān)。超聲多普勒流量計(jì)在測定時(shí)，信號聲源往往是超聲波發(fā)射器，聲源與流體顆粒之間發(fā)生相對位移，進(jìn)而發(fā)生多普勒頻移。該頻移大小與管道內(nèi)的介質(zhì)流速正相關(guān)，根據(jù)頻差可以計(jì)算出流速，進(jìn)而得到管道內(nèi)介質(zhì)流量。多普勒效應(yīng)的超聲流量計(jì)的電路主要包括驅(qū)動換能器和接收器兩部分，驅(qū)動頻率可調(diào)的換能器驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)對換能器的工作驅(qū)動。換能器受到激勵(lì)后發(fā)出超聲波信號，經(jīng)耦合劑耦合進(jìn)入管道遇到顆粒等流體會發(fā)生折射和散射。接收器采集返回的信號，并轉(zhuǎn)換為微弱的電信號。一般電路設(shè)計(jì)包括前置運(yùn)放放大器、中心頻率可調(diào)的FIR 帶通濾波器、鎖相環(huán)放大器、信號整形調(diào)理電路等，其中FIR 帶通濾波器的中心頻率由MCU 動態(tài)調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場不同換能器及流速范圍設(shè)置不同的中心頻率?；夭ㄐ盘柦?jīng)過放大濾波，鎖相放大，與參考基準(zhǔn)信號相乘的方波信號，MCU 定時(shí)器采集方波的實(shí)時(shí)頻率，LCD 本地顯示，RS485 輸出至后端儀表。

2 安裝應(yīng)用

2.1 安裝步驟

選取測量區(qū)域內(nèi)充滿流體代表性介質(zhì)的位置。該位置應(yīng)光滑、無焊點(diǎn)，打磨光滑該區(qū)域，用喉箍固定護(hù)罩底座；將傳感器測量面涂抹耦合劑（或潤滑油），確保傳感器與管壁貼合后，傳感器測量端平面與管壁的弧面空間內(nèi)充滿上述耦合物質(zhì)；用黑色軋帶頭部，從上而下穿過護(hù)罩底座的傳感器固定栓1，然后穿過傳感器頂部的兩個(gè)固定孔（注意傳感器方向，射頻線接口靠近防水接頭），然后從下而上穿過傳感器固定栓2，最后把黑色軋帶扎緊。固定后，注意傳感器管道方向的中心線與管道表面充分貼合，而且傳感器較穩(wěn)定。完成固定后，連接射頻線并擰緊防水接頭，最后安裝密封圈并用螺絲固定護(hù)罩頂蓋。傳感器安裝簡易示意圖如圖2 所示。

圖2 傳感器安裝簡易示意圖Fig.2 Simple diagram of sensor installation

圖3 現(xiàn)場配置參數(shù)圖Fig.3 Configuration parameter diagram

換能器材料是用來放置壓電陶瓷的，其材料要求聲波傳輸時(shí)的損耗小，且現(xiàn)場安裝易于與管道外壁接觸耦合。有機(jī)玻璃聲楔材料，具有硬度高，傳聲性能好的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的材料。

2.2 安裝要求

安裝位置的管道需要充滿待測介質(zhì)，為保證測量精度，確保安裝位置滿足最小直管段要求，傳感器安裝位置應(yīng)清潔、光滑、無焊點(diǎn)，不可將傳感器安裝在水平管道的頂部或底部，安裝位置應(yīng)避免強(qiáng)烈震動[5-8]。

2.2.1 整體位置要求

水平或垂直流向管道，優(yōu)先選擇管道底部或向上的位置安裝，避免在管道最高點(diǎn)或向下位置安裝。在開口排放管道時(shí)，設(shè)備應(yīng)安裝在管道的較低處，不可安裝于工藝管道的末端排空區(qū)間內(nèi)。

2.2.2 直管段長度要求

最優(yōu)長度：上游直管段要求20 倍于管道公稱直徑，下游直管段要求10 倍于管道公稱直徑?；鹃L度：至少滿足上游直管段10 倍于管道公稱直徑，下游直管段25 倍于管道公稱直徑。

2.2.3 安裝角度要求

水平管道時(shí)，優(yōu)先安裝在水平位置（與豎直方向成90°）。若安裝條件不滿足（水平），則考慮斜上45°與斜下45°夾角內(nèi)（與豎直方向的45°～135°內(nèi)）。被檢測管道底部有沉積介質(zhì)時(shí)，安裝位置推薦水平與斜上45°夾角范圍內(nèi)，其它情況推薦水平與斜下45°夾角范圍內(nèi)，豎直管道可根據(jù)現(xiàn)場情況選擇相應(yīng)安裝位置。

2.2.4 泵送管道要求

在泵后安裝時(shí)，安裝位置距泵的出口距離管徑規(guī)格DN50 ～DN300 時(shí)需要≥10m；管徑規(guī)格DN300 ～DN1000時(shí)需要≥30 倍管道公稱直徑。

2.2.5 閥門要求

為了避免管道不滿管導(dǎo)致設(shè)備測量失效，要求在設(shè)備的上游禁止安裝調(diào)節(jié)閥。如在下游安裝調(diào)節(jié)閥，則最小距離必須大于5 倍管道公稱直徑。

3 參數(shù)配置

系統(tǒng)設(shè)置包括：累積流量單位（m3、L、GAL）、流量單位（m3/h、min、s）和流速單位（m/s、ft/s）。

參數(shù)設(shè)置包括：管道信息（管道材質(zhì)、管道OD、管道ID 和襯里TH）、流體狀態(tài)（粘度系數(shù)B、流量上限、流量下限和平滑時(shí)間）、平均加權(quán)和標(biāo)尺因子。權(quán)限管理包括用戶權(quán)限和管理員權(quán)限，設(shè)備操作包括流量清空、語言選擇和恢復(fù)出廠設(shè)置。

儀表上電后，將進(jìn)入初始化界面，一段時(shí)間后自動轉(zhuǎn)入流量測量狀態(tài)，即進(jìn)入流量顯示界面。該界面顯示測量的瞬時(shí)流量、流速以及累計(jì)流量數(shù)據(jù)。主界面分別顯示：①儀表型號；②體積流量；③信號強(qiáng)度（dBm）；④累積流量；⑤當(dāng)前流速；⑥鍵盤鎖定標(biāo)志。

具體管徑材質(zhì)選擇結(jié)合現(xiàn)場需求以及附錄聲速表，設(shè)置不同材質(zhì)對應(yīng)的聲速值，具體參數(shù)如下：

管道材質(zhì)：不同材質(zhì)對應(yīng)的聲速值，默認(rèn)3600；管道外徑OD：根據(jù)現(xiàn)場管道外徑設(shè)置，默認(rèn)320；管道內(nèi)徑ID：根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際管道內(nèi)徑，默認(rèn)260；流量上限：現(xiàn)場實(shí)際流量進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)5000；流量下限：現(xiàn)場實(shí)際流量進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)0；平均加權(quán)1：檢測的流量值平滑個(gè)數(shù)，默認(rèn)200；平均加權(quán)：對檢測的頻率值平滑個(gè)數(shù)，默認(rèn)50；標(biāo)尺因子：流量校準(zhǔn)標(biāo)尺，默認(rèn)1。

表1 管道材質(zhì)聲速表Fig.1 Pipe material sound velocity table

4 結(jié)論

本文介紹了基于頻移測量多普勒超聲流量計(jì)的工作原理，現(xiàn)場流量計(jì)的安裝步驟、安裝要求及參數(shù)配置，并闡述了不同管道材質(zhì)的聲速和介質(zhì)粘度對多普勒流量測量的影響。多普勒超聲波流量計(jì)可用于檢測多相流介質(zhì)，適用于城市排水、工業(yè)廢水、生活污水、泥漿、紙漿、油水混合液等流量計(jì)量，彌補(bǔ)常規(guī)流量計(jì)無法測量的不足。