外夹装传播时间法超声流量计应用准则

　　0　引言

　　外夹装超声流量计只要在既设管道外部夹装换能器,即可作无侵扰非接触测量,毋须对被测管道停流截管接入流量传感器,或打孔插入检测换能器,这是外夹装超声流量计在工业用流量仪表中所具有的独特优点。既可作移动性(即非定点固定安装)测量,用作管网流动状况评估测定,或作为检查已装用其他流量仪表测量准确性比对的参照流量值。

　　外夹装换能器超声流量计有传播时间法超声流量计(transit time ultrasonic flowmeter, TTUF),多普勒法超声流量计(doppler ultrasonic flowmeter, DUF),相关法超声流量计(cross correlation ultrasonic flowmeter, CCUF)三种。本文在这三种外夹装超声流量计中仅讨论TTUF,因为TTUF最广泛应用于各种洁净液体。DUF只应用于含颗粒和气泡的液体,且测量精度较低;CCUF通常只应用于双相流体,尚处在初期阶段,价格较贵,仅用于油井在线监控,一般应用尚缺乏吸引力。

　　外夹装TTUF的测量准确度不能简单地仅以仪表制造厂声称的仪表准确度来期望测量结果,要充分估计系统中各因素的影响。例如,安装方面包括换能器的定位;测量管上下游管道状况;管道工程方面包括尺寸、材质、内壁粗糙度;流体方面包括洁净度、粘度、密度、雷诺数范围;运行操作方面包括声束路径布置、换能器夹装、几何尺寸测量;制造厂仪表规范方面包括是否具有雷诺数补偿等。本文就这些问题进行讨论。

　　1　应用领域和性能

　　夹装式TTUF应用于清洁液体,液体中只能含有小于某限量的固体颗粒或气泡。应用分固定永久性安装和移动临时性安装两大领域。固定安装常用于水行业、化学工业的不允许停流截管场所,半导体业的高纯度液,化学工业的腐蚀液,食品和医药业的防污染和卫生要求液,各流程工业泵的运行保护等场所。临时性安装应用于流程工业作为核对、维护管线上正在使用的流量仪表的工具;在水行业用作管网流动状况的分析测定,管网检漏,对固定安装流量仪表的核对,等等。仪表制造厂声称外夹装TTUF的准确度为测量值的1%~2%,低流量时误差以固定流速表示,为±(0.01~0.03)m/s。运行中测量系统的准确度因各影响因素远近于此值,例如45°声路角有1°偏差就会产生1.7%流量测量误差,管内径0.5%尺寸,偏差会产生1%流量误差。在现场十分细致的定位安装,良好运行条件下,系统测量准确度可期望在测量值的2%~5%。若定位安装粗糙(如管内径不作测量仅用名义尺寸),操作不细致,测量误差可能超过10%。系统重复性可望达到1%。

　　2　安装影响

　　单声道TTUF无论在紊流充分发展流动或流速分布畸变流动,均敏感于流速分布变化。TTUF所测量的是声束线平均流速vb,而需要的是流通面积的面平均流速vp·vb与vp间介入转换系数K(=vb/vp),从vb求取vp,vp=vb/K,系数K不是常数,随雷诺数Re而变。图1所示是光滑管中K与Re的关系线[1]。开始流动是层流,流速增加到Re达2300时为层流区,层流区K为常数,Re从2300增加到4000,流动从层流转向紊流,K从0.75增加到0.93为过渡区,且转换是随机性的,很不稳定。Re超过4000K按经验公式K=1/(1.119-0.011LogRe)增加,Re从104增加到106时,K从0.93增加到0.95,变化约2.2%。这一变化某些型号仪表具有补偿功能。使用时要避开Re=2300~4000的过渡区。