針對大口徑循環(huán)水管道的計(jì)量儀表設(shè)計(jì)、選型具有一定的局限性。日常工作中存在測量難度大、準(zhǔn)確度難以保證、直管段不滿足要求、現(xiàn)場校驗(yàn)手段不多等問題。本文從超聲流量計(jì)的原理及性能入手詳細(xì)闡述多聲道超聲流量計(jì)測量原理、流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用探討。

0.引言

循環(huán)水作為冷卻器的冷卻介質(zhì)在石油化工企業(yè)應(yīng)用廣泛，其輸送管道一般管徑較大，通常為 600 ～ 1 000 mm，甚至 1 000 mm 以上。過去曾采用過多種流量計(jì)進(jìn)行測量，如電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)等，但由于循環(huán)水雜質(zhì)多，在實(shí)際應(yīng)用中常出現(xiàn)傳感器被雜物覆蓋或纏繞而影響正常使用，從而無法提供準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)。

隨著大多數(shù)企業(yè)對能源計(jì)量更新的認(rèn)識(shí)以及需求的提高，在一些大口徑或是直管段不足的循環(huán)水流量的穩(wěn)定計(jì)量，成為亟需解決的問題。近幾年，隨著多聲道超聲流量計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，超聲流量計(jì)以其安裝方便、維護(hù)量小、測量范圍寬，適應(yīng)較為復(fù)雜的管道結(jié)構(gòu)和流態(tài)分布等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了大口徑循環(huán)水流量測量的技術(shù)難題 。

1.大口徑循環(huán)水管道計(jì)量的特點(diǎn)

由于循環(huán)水管道口徑較大，流量也很大，儀表運(yùn)行中稍有偏差，就會(huì)帶來很大測量誤差。為使其得到準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)，需要在測量過程中達(dá)到如下要求: ①壓力損失小。由于能量損失與壓損和流量的乘積成正比，如果壓力損失過大，在流量計(jì)長期運(yùn)行中會(huì)使流體動(dòng)能損失巨大，造成能源浪費(fèi)。為使大口徑管道計(jì)量，需在測量過程中壓力損失足夠小。②能實(shí)現(xiàn)在線維修。因大口徑管道安裝處較潮濕且又不易斷流維護(hù)，一般很難為裝設(shè)流量計(jì)而安排旁通，即使裝有旁通及閥門，啟閉困難，且難以保證閥門的嚴(yán)密，因此選用的測量儀表應(yīng)維護(hù)量小且便于維修。③受介質(zhì)內(nèi)雜物影響小。因循環(huán)水管道內(nèi)介質(zhì)含有的雜質(zhì)較多，管道內(nèi)經(jīng)常會(huì)含有泥土、油污、雜物等，應(yīng)注意機(jī)械強(qiáng)度和水內(nèi)雜質(zhì)對測量元件的污染、纏繞、覆蓋等問題。因此應(yīng)選用無可動(dòng)機(jī)械部件或傳感器不易受影響的測量儀表。④能夠?qū)崿F(xiàn)在線標(biāo)定。管道口徑大，流量也大，標(biāo)定時(shí)會(huì)有許多麻煩與困難，因此只能在運(yùn)行中在線標(biāo)定。

2.其他類型流量計(jì)應(yīng)用中存在的問題

大口徑循環(huán)水計(jì)量儀表大致有以下幾種: 超聲波流量計(jì)，電磁流量計(jì)，渦街流量計(jì)，差壓式流量計(jì)等 各種流量計(jì)主要存在問題如下.

2． 1 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是利用電磁感應(yīng)原理測出導(dǎo)管中導(dǎo)電液體的平均流速，進(jìn)一步求得液體的體積流量。它具有壓力損失小，不受被測液體的溫度、壓力、黏度等影響，可測量含雜質(zhì)液體，量程寬、口徑大、反應(yīng)靈敏、前后直管段要求不高、耐腐蝕、壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此在循環(huán)水計(jì)量中廣泛采用。但實(shí)際工作中仍存在一定問題: ①測量誤差受外界電磁場影響。因此安裝時(shí)應(yīng)特別注意避免劇烈震動(dòng)和交直流強(qiáng)磁場。②受流速分布影響，在流速軸對稱分布的情況下，流量信號(hào)與平均流速成正比，由于流速分布和渦流的影響，流量計(jì)上游直管段應(yīng)有一定的長度，一般可取5 D 。③電極表面易污染。在測量有附著沉淀物的流體時(shí)，電極表面將受到污染，常常引起零點(diǎn)漂移，因此在使用中，需注意電極的定期清洗。

2． 2 渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)是利用“卡門渦街”原理進(jìn)行流量測量。由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構(gòu)成。表內(nèi)部無可動(dòng)部件，構(gòu)造簡單，使用壽命長。線性測量范圍寬達(dá) 30 ∶ 1。在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)漩渦產(chǎn)生的頻率只與液體流速有關(guān)，幾乎不受被測液體參數(shù)( 如溫度、壓力、密度、成分及黏度等) 變化的影響。儀表輸出頻率信號(hào)，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測量及與計(jì)算機(jī)聯(lián)用等優(yōu)勢，在小管徑循環(huán)水中應(yīng)用較多，大管徑上應(yīng)用較少，原因如下: ①漩渦發(fā)生體易受污染。渦街流量計(jì)比較適用于測量凈水、凝結(jié)水等雜質(zhì)較少的液體，在介質(zhì)較臟污的情況下，漩渦發(fā)生體容易結(jié)垢甚至被水中含有的其他雜質(zhì)纏繞，產(chǎn)生假信號(hào)，影響正常測量。②受管道震動(dòng)影響較大。管線震動(dòng)較大則容易引起測量誤差，使得測量結(jié)果與實(shí)際發(fā)生嚴(yán)重偏離。在安裝時(shí)需在管線上加裝支架，防止震動(dòng)干擾。③直管段要求較高。直管段要求為前 20D、后 5D。在流速較低情況下，測量偏差較大。一般在 0． 4 m / s 以下，不能準(zhǔn)確測量。④存在整體拆卸標(biāo)定麻煩、維修困難等問題，無法保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2． 3 孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)根據(jù)流體流經(jīng)節(jié)流件所產(chǎn)生的壓力差與流量間關(guān)系來測量流體的流量。具有結(jié)構(gòu)簡單、無可動(dòng)部件，可靠性較高，復(fù)現(xiàn)性能好，適應(yīng)性廣，可適用于大管徑流量測量等優(yōu)點(diǎn)。在多年實(shí)際應(yīng)用過程中，常出現(xiàn)變送器零點(diǎn)漂移和引壓管被臟污介質(zhì)堵塞等現(xiàn)象，具體分析如下: ①安裝精度要求嚴(yán)格。盡管安裝規(guī)范一般都能夠掌握，但有些細(xì)節(jié)往往沒有引起重視，導(dǎo)致較大的計(jì)量誤差。如密封墊片內(nèi)孔未按環(huán)室尺寸加工，墊片伸出環(huán)室，干擾流體穩(wěn)定流動(dòng); 導(dǎo)壓管走向不合理，差壓無法順利傳導(dǎo); 平衡器不水平，直接產(chǎn)生計(jì)量誤差等。②受介質(zhì)影響較大。循環(huán)水管道中的介質(zhì)易聚集在孔板截面收縮、流速突變的孔口銳邊上，甚至對孔板產(chǎn)生沖刷和腐蝕，特別是對孔板直角入口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖刷腐蝕特別嚴(yán)重，這將影響到孔板直角入口邊緣圓弧半徑和測量管內(nèi)壁相對粗糙的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，使測量準(zhǔn)確度達(dá)不到要求。③測量范圍小，僅為 3 ∶ 1。測量范圍一般在設(shè)計(jì)流量的 30% ～ 90% 為正常測量。如果低于 30% ，則測量結(jié)果更低于實(shí)際量;而大于 90% 以上，則測量結(jié)果更高于實(shí)際量。另

外，孔板測量的一個(gè)主要欠缺在于存在較大的壓力損失，系統(tǒng)準(zhǔn)確度不高。

3.超聲流量計(jì)的工作原理

目前常見的超聲技術(shù)分為兩種，時(shí)間差法和多普勒法。時(shí)間差法雖然出現(xiàn)稍晚，但其應(yīng)用廣泛，并且可以實(shí)現(xiàn)較高的準(zhǔn)確度和較好的穩(wěn)定性，也是今后超聲產(chǎn)品發(fā)展的主推動(dòng)力 。

3． 1 工作原理

時(shí)間差法超聲流量計(jì)是指通過測量超聲脈沖順流和逆流時(shí)往返于兩個(gè)換能器之間的時(shí)間，來確定管道內(nèi)流體流速的技術(shù)。每個(gè)換能器先后作為發(fā)射器和接收器，在流體充滿管道并且靜止的條件下，理論上超聲脈沖往返于換能器的時(shí)間是一致的。因?yàn)樵陟o止的流體中，向不同方向傳播的超聲聲速是不變的。如果流體流經(jīng)管道，超聲波脈沖順流傳播的速度比逆流傳播的速度要快，這兩者的時(shí)間差與管道內(nèi)流體的流速成比例。其中，超聲波在靜止流體中的傳播速度為 C，管道直徑為 D，流體在管道橫截面上流速為 V，夾角為 θ。

計(jì)算公式如下:

超聲在液體中順流向與逆流向傳播的時(shí)間 t1與 t2 分別為

 3． 2  流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型

通過以上數(shù)據(jù)可以清楚的得知單聲道流量計(jì)截面平均流速與該聲道速度( 如圖 1 管道內(nèi)水流態(tài)分布) 存在特定關(guān)系，容易受到流速分布廓形的影響，因此為了提高測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，只有在測量截面上平行地布置多條聲道并獲得各相應(yīng)平行條帶內(nèi)的平均速度，再依據(jù)各條帶所占的權(quán)重系數(shù)，用加權(quán)積分的方法計(jì)算流量，公式如下:

式中，A 為管道橫截面面積; Ki 為聲道加權(quán)積分系數(shù); n 為聲路數(shù); vi 為沿聲道的平均軸向流速。

3． 3 多聲道超聲流量計(jì)的加權(quán)積分系數(shù)

對于多聲道超聲流量計(jì)，其每個(gè)聲道的積分加權(quán)系數(shù)是一個(gè)固定值，并且在國際電工委員會(huì)的IEC6041 規(guī)程和美國規(guī)程 ASME PTC18 中作了明確的規(guī)定。為了滿足各種不同流態(tài)分布測量的需要，多聲道流量計(jì)具有多種聲道布置，對應(yīng)每種聲道布置，積分加權(quán)系數(shù)都有確定的值。表 1 是國際電工委員會(huì) IEC6041 規(guī)程關(guān)于 4 /8 聲道超聲流量計(jì)的聲道位置和加權(quán)積分系數(shù)的規(guī)定值。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，多聲道超聲測流技術(shù)亦在快速發(fā)展，近來市場上已出現(xiàn)了二重積分?jǐn)?shù)學(xué)模型，該技術(shù)徹底擺脫了修正系數(shù)。

采用對流速分布函數(shù)和面積分布函數(shù)的插值并積分的數(shù)學(xué)模型，流量計(jì)算不受雷諾數(shù)和摩擦系數(shù)的影響，徹底擺脫了修正系數(shù)( 加權(quán)指數(shù)) ，消除了換能器安裝時(shí)因聲道高度偏差所引起的誤差，使得安裝工作簡單化。

4.多聲道超聲流量計(jì)的構(gòu)成

多聲道超聲流量計(jì)是由 3 對、4 對、5 對 /6 對、8對、10 對 /16 對、18 對超聲換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分構(gòu)成。超聲流量計(jì)的電子線路包括發(fā)射、接受、信號(hào)處理、顯示電路。測得的瞬時(shí)流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。超聲發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為聲能量，并將其發(fā)射到被測液體中，接收器接收到超聲信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示器。

5.多聲超聲流量計(jì)的特點(diǎn)

工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量的問題，并且隨著政策對能源網(wǎng)改造的提出，企業(yè)對各個(gè)二級(jí)單位考核的更細(xì)節(jié)化，要求能夠在降低生產(chǎn)成本的前提下采購性能更好、操作更方便的產(chǎn)品顯得更為迫切。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)形式流量計(jì)隨著測量管徑的增大會(huì)帶來制造、運(yùn)輸、安裝上的種種困難。多聲超聲流量計(jì)可以避免以上問題。它具有不停水在線安裝、維護(hù)，并且無流阻、無壓力損失、量程寬、測量結(jié)果不受流體成分、壓力、溫度變化的影響，測量穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高，可在線校驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是它的性能價(jià)格比要比傳統(tǒng)大口徑流量計(jì)高很多。正是由于多聲道超聲流量計(jì)具有其它傳統(tǒng)流量計(jì)產(chǎn)品無可比擬的優(yōu)越性、適應(yīng)性，才使得它越來越向產(chǎn)品的系統(tǒng)化、通用化發(fā)展，越來越多的使用在工業(yè)企業(yè)的各個(gè)場合。

6.影響流量計(jì)測量準(zhǔn)確度的因素

根據(jù)前文介紹，比起常規(guī)儀表，超聲流量計(jì)的智能化程度更高，應(yīng)用的技術(shù)更先進(jìn)，也帶給用戶更大方便。但在實(shí)際使用過程中，還需要做好以下問題，才能得到較高的測量準(zhǔn)確度，更好地為客戶服務(wù)。

6． 1 介質(zhì)要求

時(shí)間差法超聲流量計(jì)主要用于密度均勻液體，如果液體中含有懸浮顆粒和氣泡，超過某一范圍時(shí)，液體的密度不均勻?qū)⑹钩曅盘?hào)傳播不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致流量計(jì)不能準(zhǔn)確測量。

6． 2 選型問題

選型問題是超聲流量計(jì)能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng)，會(huì)造成流量無法測量或用戶使用不便等后果。

6． 2． 1 安裝方式的選擇

超聲波流量計(jì)分為插入式、管段式和外夾式三種。其中外夾式由于容易受到環(huán)境及管道內(nèi)壁附著物的影響和耦合劑問題使其難以長年穩(wěn)定運(yùn)行，因此常用于便攜式流量測量，即裝即用; 管段式的準(zhǔn)確

度***高( 可達(dá) ± 0． 5% ) ，適用于流量準(zhǔn)確度要求較高的現(xiàn)場; 插入式界于二者中間，可以不斷流安裝，其測量不受材質(zhì)和管襯材料限制，測量準(zhǔn)確度也較高( ± 0． 5% ～ ± 1． 0% ) ，是一種較理想的超聲流量計(jì)類型。

6． 2． 2 聲道數(shù)的選擇

采用多少聲道的主要依據(jù)是測量準(zhǔn)確度要求和安裝儀表管道迎流狀況( 取決于上游阻流件組成和直管段條件) 以及管徑大小。常用的有單聲道、雙聲道、四聲道和八聲道 4 種，近年又出現(xiàn)三聲道、五聲道和六聲道。一般而言，管徑越大的管道其橫截面的流速分布越復(fù)雜，采用四聲道及以上的多聲道配置對提高測量精度起很大作用。但不可忽視的一點(diǎn)是隨著聲道的增加，費(fèi)用也將大幅提升，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

6． 3 安裝問題

在管道和流體介質(zhì)已經(jīng)確定的情況下，流量計(jì)的測量準(zhǔn)確度主要取決于換能器的安裝位置和方式，因此正確選擇安裝場所及換能器安裝方式對于超聲流量計(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行非常關(guān)鍵。

6． 3． 1  安裝位置

為保證換能器前流體沿管軸平行流動(dòng)，必須在換能器前設(shè)置一定的直管段。一般而言，應(yīng)保證上游直管段長度大于 10D( D 為被測管道的通徑) ，下游大于 5D。即在換能器安裝點(diǎn)的上下游 15D 管線上無彎頭、閥門等引起介質(zhì)擾動(dòng)的位置; 管道應(yīng)充滿流體，即滿管流。超聲換能器盡量避免垂直安裝，因?yàn)楣艿赖捻敳恳拙奂瘹怏w，影響測量的準(zhǔn)確性; 換能器安裝處和管壁反射處必須避開接口和焊縫。

6． 3． 2 換能器的安裝方式

聲道布置的發(fā)送和接收方式采用直射的 Z 法還是反射的 V 法或 W 法，選擇的原則是要有足夠的聲道和介質(zhì)吸收聲波的程度，還要考慮管道內(nèi)壁的粗糙度。一般小管徑( 25 ～ 75 mm) 采用 W 型，中管徑( 75 ～ 250 mm) 采用 V 型，大管徑( ＞ 250 mm) 采用 Z 型。

7.結(jié)束語

綜上所述，在我廠大口徑循環(huán)水計(jì)量中所采用的測量儀表的主要特點(diǎn)，匯總?cè)绫?2 所顯示，由此可見超聲流量計(jì)在測量大口徑流量方面具有十分突出的優(yōu)勢。