在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中, 流量是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。流量測(cè)量通過流量計(jì)實(shí)現(xiàn), 根據(jù)測(cè)量原理, 流量計(jì)可分為質(zhì)量流量計(jì)、節(jié)流式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等類別。其中, 在測(cè)量大口徑管線介質(zhì)流量時(shí), 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用最為廣泛。在中國石油錦州石化公司, 新水、循環(huán)水流量大多使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。這種流量計(jì)安裝維修方便、通用性強(qiáng), 在生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、節(jié)能降耗管理中具有廣泛應(yīng)用。

  通常超聲波流量計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)由傳感器 (換能器) 和變送器 (流量顯示累積系統(tǒng)) 2部分組成。傳感器為鑄鐵酸鉛壓電元件, 利用壓電效應(yīng), 通過傳感器發(fā)射并接收聲波。介質(zhì)流動(dòng)時(shí), 對(duì)聲波產(chǎn)生影響, 通過檢測(cè)產(chǎn)生的影響情況, 計(jì)算出流量大小。

按照傳感器的安裝方式, 常見的超聲波流量計(jì)可分為插入式、外夾式和便攜式3種類型。插入式超聲流量計(jì)采用陶瓷傳感器, 使用專用鉆孔裝置進(jìn)行不停產(chǎn)安裝, 一般為單聲道測(cè)量。外夾式超聲流量計(jì)采用專用耦合劑安裝, 安裝時(shí)不損壞管路, 能夠完成固定和移動(dòng)測(cè)量。便攜式超聲波流量計(jì)便攜使用, 內(nèi)置可充電鋰電池, 配接磁性傳感器, 適合移動(dòng)測(cè)量, 常用來進(jìn)行流量標(biāo)定。

  超聲波流量計(jì)的傳感器有2只, 在工作時(shí), 2只傳感器互相發(fā)射、接收超聲波信號(hào)。通過數(shù)字處理技術(shù)以及時(shí)差探測(cè)法, 測(cè)量出流體流速對(duì)超聲波信號(hào)傳輸時(shí)間產(chǎn)生的影響, 如圖1所示。

  我們將上游傳感器探頭T1發(fā)射的超聲波信號(hào)被下游傳感器探頭T2接收的時(shí)間記為t1, 將下游傳感器探頭T2發(fā)射的超聲波信號(hào)被上游傳感器探頭T1接收的時(shí)間記為t2。當(dāng)管線介質(zhì)靜止時(shí), t2-t1=0。當(dāng)管線介質(zhì)流動(dòng)時(shí), 流體流速對(duì)超聲波信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響, 導(dǎo)致上游到下游的超聲波信號(hào)傳輸速度加快, 下游到上游的超聲波信號(hào)傳輸速度減慢, 即t2-t1=Δt。通過兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差計(jì)算得到流體流速, 再乘以管線橫截面積, 即計(jì)算得出流體的體積流量[1]。

流體流速的基本計(jì)算公式為:

  式中:v為流速;k為標(biāo)定系數(shù);Δt為上下游傳感器信號(hào)接收的時(shí)間差;t為測(cè)量得出的超聲波穿過流體的平均時(shí)間。

  Z法安裝即單行程測(cè)量, 指聲波只經(jīng)過一個(gè)聲程就已完成測(cè)量, 可以獲得較強(qiáng)的信號(hào), 如圖2所示。

  V法安裝即雙行程測(cè)量, 是指兩只傳感器同向安裝, 聲波經(jīng)對(duì)側(cè)管道反射后接收, 共有2個(gè)聲程, 如圖3所示。

  W法安裝即多行程測(cè)量, 泛指經(jīng)過3個(gè)或3個(gè)以上聲程的測(cè)量方法, 優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較高的測(cè)量精度, 缺點(diǎn)是信號(hào)較弱, 只適用于管道條件較好的情況, 如圖4所示。

  超聲波流量計(jì)傳感器直接安裝在工藝管線外壁上, 不需要法蘭、縮徑、副線等, 對(duì)管線內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)不產(chǎn)生任何影響, 方便安裝、調(diào)試、拆卸, 方便日常維護(hù)。

  由于超聲波流量計(jì)安裝不需要打開工藝管線, 故同一臺(tái)超聲波流量計(jì)可以安裝在不同管徑的工藝管線上, 具有較好的通用性[2]。

  從測(cè)量口徑方面, 需要打開管線安裝的流量計(jì), 口徑通常在DN500以下, 而超聲波流量計(jì)可測(cè)量DN2000管線內(nèi)的流體流量;從量程方面, 超聲波流量計(jì)的測(cè)量范圍廣, 優(yōu)于其他類型的流量計(jì)。

  超聲波流量計(jì)傳感器不直接接觸工藝介質(zhì)[3], 所以對(duì)于強(qiáng)腐蝕性、有毒有害、非導(dǎo)電介質(zhì)等, 超聲波流量計(jì)同樣適合。

  根據(jù)超聲波流量計(jì)的工作原理, 可以看出, 電磁干擾和渦流對(duì)測(cè)量精度有很大影響。故此, 安裝時(shí)應(yīng)避免這兩項(xiàng)干擾。通常安裝位置應(yīng)具備以下條件。

(1) 直管段充分, 安裝位置上游直管段大于10D, 下游直管段大于5D[4]。

(2) 安裝位置距上游水泵距離大于30D。

(3) 流量計(jì)傳感器、變送器、連接電纜等各部分應(yīng)遠(yuǎn)離水泵等具有強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)振動(dòng)的機(jī)器設(shè)備[5]。

(4) 傳感器安裝位置的管壁薄厚均勻、材質(zhì)致密, 便于超聲信號(hào)傳播。

(5) 確保流體充滿管道, 避免出現(xiàn)氣泡、雜質(zhì)。在豎直管道安裝時(shí), 選擇流體自下而上流動(dòng)的管道。

(6) 便于人員操作、檢修、維護(hù)。

  流量計(jì)安裝到位后, 在正式啟動(dòng)之前, 要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置, 包括安裝方式、管道直徑、管道壁厚、管道材料、介質(zhì)類型、探頭間距、測(cè)量量程、計(jì)量單位等。遠(yuǎn)傳至DCS的超聲波流量計(jì), 還要進(jìn)行信號(hào)聯(lián)校, 確保流量數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確傳輸?shù)紻CS。

  超聲波流量計(jì)要定期進(jìn)行檢查, 檢查傳感器與管線的連接是否緊密, 檢查流量測(cè)量信號(hào)是否穩(wěn)定。條件具備時(shí), 可使用便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量管線介質(zhì)流量, 與固定式超聲波流量計(jì)流量進(jìn)行比對(duì), 檢驗(yàn)固定式超聲波流量計(jì)計(jì)量是否準(zhǔn)確。

  同其他工業(yè)設(shè)備一樣, 超聲波流量計(jì)運(yùn)行較長時(shí)間后, 難免會(huì)出現(xiàn)一些問題, 對(duì)準(zhǔn)確計(jì)量造成影響。這時(shí), 我們就要根據(jù)不同的故障現(xiàn)象, 分析問題原因, 及時(shí)調(diào)試、檢修。

  檢查傳感器探頭與管道是否出現(xiàn)連接不緊密的情況, 在工藝上考慮是否管線內(nèi)壁結(jié)垢太厚影響信號(hào)傳輸。

  當(dāng)傳感器探頭與管道連接不夠緊密時(shí), 要確保管道表面干凈, 無銹跡, 無油漆, 使用充足的耦合劑連接探頭與管道, 保證沒有氣泡、連接緊密。當(dāng)管線內(nèi)壁結(jié)垢時(shí), 在無法清除結(jié)垢的情況下, 可以在滿足安裝條件的前提下更換測(cè)試點(diǎn), 使其滿足測(cè)量需要。

  檢查直管段距離是否足夠, 檢查附近是否有變頻器干擾, 檢查傳感器與變送器的連接線是否過長。

  若直管段距離不夠, 需重新選取恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量點(diǎn);若附近有變頻器干擾, 需重新規(guī)劃流量計(jì)和變頻設(shè)備的安裝位置, 避免流量計(jì)受到影響;若傳感器與變送器的連接線過長, 也可能會(huì)造成信號(hào)衰竭, 應(yīng)對(duì)連接線進(jìn)行屏蔽。

  在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中, 特別是在大口徑、高壓力、介質(zhì)穩(wěn)定的管線中, 超聲波流量計(jì)有著其他類型流量計(jì)所沒有的優(yōu)勢(shì)。此外, 超聲波流量計(jì)日常維護(hù)所投入的費(fèi)用并不昂貴[6], 可謂大口徑計(jì)量的首選計(jì)量設(shè)備。隨著超聲波流量計(jì)的不斷發(fā)展、完善, 超聲波流量將得到更加廣泛的應(yīng)用[7]。