超声波流量计在西部管道工程中的应用

   1　引　言

   超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表,从20世纪80年代开始进入中国工业生产和计量领域,并涌现出了大量新产品,成为新型流量计的主要品种之一。

    2　工作原理

    按工作原理可分为传播速度差法和多普勒法^[1],因根据多普勒法的产品应用较少,且主要用于多相流体的测量,这里暂不做介绍,主要探讨一下依据传播速度差法原理测量单相流。传播速度差法有时间差法、频率差法和相位差法,文中主要讨论应用较多的时间差法。

    时间差法是测量超声波流量计在流体中顺流和逆流传播的时间差的方法[2-4],其工作原理如图1所示。

式中:v———线平均流速; L———超声波在流体中的传播路径长度(声道长度); t₁———超声波从换能器1到换能器2的顺流传播时间;Δt———超声波在流体中顺、逆流传播的时间差;θ———超声波传播方向与流体流动方向之间的夹角(声道角)。

    超声波流量计测量的流速是一个直径方向的平均流速^[5],即线平均流速,而计算流量所需的平均流速为流动截止面上的面平均流速,两者之间的关系决定流速的分布形式。因此流量计算式如式(2)所示。

式中:qV———体积流量; K———平均流速修正系数,K = v/u; u———面平均流速; v———线平均流速;D———管道内径。

    由式(1)可见,v受θ角变化的影响,而声道角θ又随流体声速c而变化,c又是流体温度的函数,因此,必须对θ角进行自动补偿。

    在测量时需确定被测管道外径、管道厚度及衬里厚度以计算管道流通截面积;确定管道材质、衬里材质、流体名称和流体黏度,以计算超声波的传播速度;还需确定 换能器的安装方式以计算超声波的传播长度。当以上数据输入到流量计的主机后,主机可以精确地计算出换能器的安装距离。

    3　主要特点

    与传统的机械和电磁式流量测量仪表相比,超声波流量计具有很多优点^[6]。

    a)超声波流量计可从管道外部进行测量,作为非接触式仪表,该类型仪表无压力损失,不改变流体的流动状态,对原有的管道无需做任何加工即可测量。

    b)超声波流量计的输出信号与被测流体流量成线性关系。

    c)测量结果不受被测流体的黏度、电导率的影响,可测非导电性液体(或气体)。