超声波流量计的测量原理及在南钢的应用

　　超声波是频率20kHZ以上,超过人耳听觉极限的机械波。超声波本身具有频率高、传输能量大、方向好、反射、透射、共振衰减等一系列优点和特性。人们利用超声波上述特性制成各种用途的超声波仪器、仪表,超声波流量计是其中重要的一种。

　　20世纪90年代以来,随着高速数字信号处理技术和先进的压电陶瓷技术的发展,超声波流量计在性能上取得了突破性发展,应用也日益广泛。本文将着力介绍超声波流量计的原理、组成及在南钢的应用。

　　1　工作原理

　　超声波流量计是测速式流量计的一种,其工作原理是根据声波在流动介质中传播时,如果声波传播方向与介质运动相同则传播速度加快,反之则减低。如图1所示,在被测管道中装有两个超声波发射换能器F1和F2以及两个接收换能器J1和J2, F1J1和F2J2与管道轴线夹角为α,管径为D,流体由左向右流动,速度为v,在α一定时,流速决定于两个超声波传播速度差。

　　2　组成

　　超声波流量计由换能器(传感器)和转换器两部分组成。换能器是将超声波能量与其它能量相互转换的装置,进行电声转换,通过电能产生和发射超声波,然后接收超声波信号转换成电信号,送入转换器进行处理,通过运算最终显示流量值。原理图上,发射器与接收器一般独立表示,实际上随着制造工艺的进步,一个换能器能够做到既能发射信号也能接收信号。一个超声波流量计用两个换能器就能完成超声波的顺、逆流传波。

　　3　应用

　　南钢作为钢铁企业,由于工艺的需要在生产中不可避免的使用大量的水资源,每年公司水消耗总量是非常惊人的。怎样做好水流量的计量工作,从而进一步开展节水降耗工作,为企业盈得节约能源带来的巨大经济效益和社会效益,是现阶段南钢计量部门的当务之急。

　　冶金企业的现场环境是比较恶劣的,存在着诸如振动、腐蚀、电磁波、高温等等干扰源,管道内的工业水中常常夹带泥沙等杂物,这给测量的准确带来了一定的难度。多年来,公司计量部门先后使用了孔板、涡街、电磁等流量计进行水流量的测量,但由于孔板压损大、涡街抗振性较差、电磁安装不便,易受到外界电磁波干扰等等自身原理的限制,测量的准确性、可靠性指标一直不能得到满足。在2000年左右,南钢计量部门开始尝试使用超声波流量计在水管中进行测量。首先公司派专人去唐山汇中进行考察、学习,从而选择了测量环境相对较差的炼铁分厂作为试验田。在炼铁厂DN100~DN1000的管径上安装了15台超声波流量计,并通过RS485接口与炼铁厂内部局域网相连进行现场数据的采集,再通过原有的能源无线网把采集到的数据传输到能源中心调度总台,以便调度及时得到一手资料和数据,快速对现场情况做出处理。如图2所示: