超聲流量計比對法是目前使用***多的一種液體流量儀表在線使用中檢驗的方法, 超聲流量計按檢測原理可分為多種, 主要有時差法、多普勒法和聲束偏移法, 其中在線使用中檢驗采用***多的是基于時差法的外夾式超聲流量計。

時差法超聲流量計利用流速不同會使超聲波在流體中傳播的速度發生變化, 通過分析計算改變的超聲波信號, 可以檢測到流體的流速, 進而可以得到流量值。通常認為聲波在流體中的實際傳播速度是由介質靜止狀態下聲波的傳播速度 (c_f) 和流體軸向平均流速 (v_m) 在聲波傳播方向上的分量組成。如圖1所示, 順流和逆流傳播時間與各量之間的關系是:

式中:

t_up為超聲波在流體中逆流傳播的時間;

t_down為超聲波在流體中順流傳播的時間;

L為聲道長度;

c_f為聲波在流體中傳播的速度;

v_m為流體的軸向平均流速;

φ為聲道角。

利用式 (1) 的兩個公式得出流體流速的表達式:

利用公式得出流體軸向平均流速后, 可以通過下式得出管道內的流量:

式中:

A為管道內截面積, m²。

ID為管道內直徑, m。

i 為管道外周長, m;

d為管道壁厚, m。

通過數學模型, 可看出影響超聲流量計測量結果的因素包括聲速、管道內流體的軸向平均流速、聲道長度、管道外周長和管道壁厚。

下面從這幾個方面討論具體應用時需要注意的問題。

超聲流量計內置多種流體可以選擇, 勾選流體類型和流體溫度后, 超聲流量計自動顯示相應在該流體內的聲速。如果超聲流量計內沒有測量介質的選項, 需要手動輸入聲速。

外夾式超聲流量計的傳感器安裝在管道外側, 所以還須考慮管道對聲速的影響。需要正確地輸入管道的材質、是否有內襯及內襯的材質、管道及內襯的厚度, 對于碳鋼等管材, 還需要考慮管道內側銹蝕的因素, 管道內壁銹蝕產生氣泡或銹蝕與管道形成間隙, 會對聲速測量形成較大影響。對于使用時間較長, 懷疑內部銹蝕的管道, 選定測量位置后可以用榔頭輕輕敲擊, 可以使管道內表面的銹蝕脫落, 吸附在管壁的氣泡也會被流體沖走, 減少對聲速測量的影響。

超聲流量計的原理是測量管道內軸向平均流速, 從而推導出管道內的流量, 保證軸向平均流速測量準確可靠就顯得格外重要。

超聲流量計測量處的流體應該是充分發展的紊流。要保證管道是滿管流動, 選擇超聲流量計安裝位置時水平走向的管道不要選擇在***高點的位置。如果超聲流量計安裝位置的管道不是水平走向, 則要選擇流體從下往上的管道, 保證管道滿管、無氣泡。

超聲流量計的流量測量建立在理想的速度分布基礎上, 如果管道內的流速分布混亂, 則無法得到理想的測量結果。在選擇超聲流量計的安裝位置時, 應避免選擇靠近閥門下游 (尤其不全開的閥門) 、靠近水泵處、變徑下游、彎頭下游。保證超聲流量計的上下游有足夠的直管段, 使得流體速度分布達到比較理想的狀態, 才能保證測量得到的平均流速能真實反映管道內流體的流速。

管道已知、超聲流量計的傳感器選定的情況下, 聲道長度僅和傳感器的安裝方式有關。超聲流量計傳感器的安裝方式主要有Z法安裝、V法安裝和W法安裝。

V法安裝使用的***為普遍, Z法安裝主要用于DN10以下小管道 (配合專用夾具) 和DN500以上的大口徑管道;V法安裝時兩個傳感器在管道同一側, 兩個傳感器保證在與管道軸線平行的同一直線上相對容易;V法安裝時兩個傳感器分布在管道的兩側, 同時傳感器與管道貼合點應在包含管道軸線的同一平面上, 安裝時需要根據現場管道的走向選取傳感器的安裝位置。

選定超聲流量計傳感器安裝位置后, 需要對選定管段表面處理后測量管道外周長 (或外直徑) 。小口徑的管道可以測量外周長或者用游標卡尺直接外管徑, 大口徑的管道只能測量外周長。用卷尺在安裝傳感器位置測量幾次, 選擇***小的值作為外周長。也可以用彈性小的細線繞管道, 在同一位置調整細線幾次, 得到***短長度, 再用卷尺測量這一長度。

選定傳感器安裝位置后, 需要對管道表面處理, 去除油污、表面油漆等, 并打磨光滑, 在換能器安裝位置均布幾個點, 使用測厚儀測量管道壁厚, 并取其平均值作為管道壁厚。對無法測量的參數, 如管道材質、襯里材料、厚度等, 根據現場技術資料查明并確認。

除上述因素, 具體使用中還應注意以下方面:

(1) 在線比對用超聲流量計應有有效的溯源證書, 其基本誤差應不低于±0.5%;

(2) 在線比對用到的其他輔助設備, 如卷尺、測厚儀、秒表等計量器具均應具有有效的檢定證書或校準證書;

(3) 超聲流量計傳感器量值溯源是的管道口徑應盡可能和現場使用的管道口徑一致, 如果口徑比值超過2倍或小于1/2, 還應增加1個0.5%的附加誤差。