便携式超声波流量计在循环水管道上的应用

　　工控摘要：企业生产过程中，为了测试循环水冷却系统的效率，需要对循环水用量进行统计，即需要对管道中循环水流量进行测量。循环水流量检测方法主要有差压法及超声波法。
　　
　　本文介绍了一种外夹式超声波流量计的检测原理、组成、安装及在循环水管道上的应用。该流量计的成功应用弥补了企业工艺设计的先天不足，提高了循环水流量检测水平，利于企业循环水用能结构的优化。
　　
　　所谓循环水，即在企业生产过程中作为热量的载体，可以循环利用的水。始端为带有冷却系统的循环水池，终端为生产车间的换热设备。生物化工企业的换热设备种类、数量均较多，因此循环水管线错综复杂，如果每根循环水管线上均安装流量，将是一笔不小的费用。因此，大多数生产企业，在设计初始阶段为了降低投资成本，就没有给循环水管道安装流量计。但是，为了掌握生产过程所有换热设备的运行效率，必须对循环在管道中的流量进行检测。
　　
　　超声波流量计为非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。
　　
　　使用超声波流量计，不用在流体中安装测量元件，故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行。因而，超声波流量计的运用可以很好地解决上述企业存在的问题，与传统的电磁流量计相比，可以说超声波流量计是一种理想的节能型流量计。
　　
　　1、超声波流量计的发展
　　
　　自1928年德国人研制成功*台并取得至今，已有80多年
　　
　　的发展历史。进20年来，特别是进10年来，由于高速数字信号的处理
　　
　　技术与微处理技术的快速发展、新型探头材料与工艺技术的开发以
　　
　　及声道配置与流量动力学的研究进展，超声流量测量技术取得了长
　　
　　足进步，显示了强劲的技术优势，发展势头迅猛[1]。
　　
　　2、超声波流量计的工作原理
　　
　　超声波流量计是基于超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息，如顺流和逆流的传播速度由于叠加了流体流速而不相同。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示[2]。
　　
　　3、超声波流量计的选择
　　
　　常见的超声波流量计主要有便携式超声波流量计、手持式超声波流量计和固定式超声波流量计，三种流量计的特点比较如下：
　　
　　（1）便携式超声波流量计为非接触式测量方式、体积小、携带方便。适用于现场测量各种尺寸管道导声介质。测量介质包括水、工业污水、酸碱液、各种油类等能传导声波的液体。测量流速范围为（0～
　　
　　±30）m/s，测量准确度等级优于1%。
　　
　　（2）手持式超声波流量计，体积小、质量轻、携带方便、操作灵活、数据自动存储、全中文显示。测量介质包括水、海水、工业污水、酒精、酸减液、各种油类等均匀、单一、稳定的液体。流速范围为（0.
　　
　　01～±32）m/s，测量准确度等级优于1%。
　　
　　（3）固定式超声波流量计，结构紧凑、坚固、*的压铸铝机壳。测量介质包括水、海水、工业污水、酸碱液、各种油类等能传导声波的液体。流速范围为（0～±30）m/s，测量准确度等级优于1%。
　　
　　生物化工企业生产系统的循环水中含有少量杂质，综合因素考虑，管道循环水流量宜采用便携式超声波流量计进行测量。
　　
　　4、便携式超声波流量计的应用
　　
　　4.1对超声波流量计进行检定或校准
　　
　　任何流量计使用前都需要进行检定或校准，便携式超声波流量计在这一点尤为重要。便携式超声波流量计有三组探头可以选择（大、中、小），分别适用于不同的管径范围，每组探头与主机的搭配在某种意义上讲都是一套独立的流量计。
　　
　　如果只在小管径的流量标准装置上用小探头对便携式超声波流量计进行检定或校准，那么在使用时你如果用大探头测量大管道的流量，就等于你是在使用未经检定或校准的流量计在测量流量，其计量准确性是无法保证的，因为目前的技术水平无法保证探头的互换性，何况大小探头之间的差异更是一个不容忽视的变量。
　　
　　因此，使用前应尽可能在与使用管道口径相同或接近的流量标准装置上，对便携式超声波流量计进行多条管道的检定或校准。至少要保证流量计配置的每组探头都要检定或校准到。
　　
　　4.2便携式超声波流量计安装
　　
　　便携式超声波流量计为外夹式安装，合理的安装可以保证便携式超声波流量计的准确测量。安装前做到“三确认”，即确认循环水管道的材质以及壁厚（充分考虑到管道内壁结垢厚度，实际内径等于循环水管道外径减去材质厚度和管道内壁结垢厚度。如果管道内有衬里，还应该减去衬里的厚度）；确认管道内流体介质以及是否满管（应选择流速稳定且充满管道的管段进行安装，否则会影响测量的准确性）；确认管道使用年限（使用10年左右的管道，即使是碳钢材质，也采用插入式安装）。在安装时选择足够长的循环水管段，以便形成稳定的速度分布。一般要求上游直管段长度为5D～10D（D为管道公称直径，下同），下游直管段长度为3D～5D。如果直管段长度达不到要求，会造成测量准确度的降低。要尽量远离泵和阀门，泵应该距离测量管段上游50D，阀门应该距离测量管段上游30D。
　　
　　另外，安装换能器探头部位要去漆，除锈，砂平。选用合适的耦合剂，并在安装时均匀涂抹在探头安装部位。选择测量介质、仪表安装方式、合适的换能器，输入管壁材质、管壁厚度以及管衬材料等信息，仪表显示换能器安装距离的数值，此时准确测量管道距离进行换能器安装。外夹式换能器安装后，可以查看信号强度和质量，对安装位置微调，达到信号和传输比的匹配。选择配套的探头类型，保证换能器探头部位的温度在允许工作的范围内。
　　
　　4.3便携式超声波流量计的维护
　　
　　在实际使用中，由于测量现场及介质的变化，引发换能器探头部位的管线震动、温度变化、管道内结垢情况的变化，以及超声波流量计电路工作点的漂移等因素，可能造成测量不准确，因此需要定期对超声波流量计进行检查和维护。超声波流量计的日常检查和维护工作主要包括：信号强度和信号质量的检查，电流模拟输出的检查，定期标定和校准等。
　　
　　5、超声波流量计使用中常见问题及原因分析
　　
　　（1）循环水管道上已打磨光滑，但安装测量时信号始终为（0～2）%之间，无法测量。可能原因包括：1）管道内壁结垢较多，超声波衰减较严重，无法测量；2）管道有内衬，内衬与管道之间有间隙，导致
　　
　　声波不能穿透，无法测量；3）耦合计干涸，失去作用；4）介质含杂、气泡增多或介质糊住探头；5）探头位置发生变化；6）探头老化；7）探头电缆接触不良。
　　
　　（2）超声波流量计产生流量读数不稳定。可能原因包括：1）测量点直管短，不符合测量要求；2）介质含有气体或杂质且不稳定；3）仪表故障。
　　
　　（3）超声波流量计信号很弱，波形差，读数不稳定。可能原因包括：1）安装探头位置不正确；2）参数设置出错；3）管道使用多年使内壁结垢太厚；4）有气泡或涡流；5）管径大于等于1200mm可考虑换装插入式换能器。
　　
　　6、结语
　　
　　便携式超声波流量计是一种的流量仪表，它给我们带来的测量流量的方便性和经济性是其它的流量计*的。便携式超声波流量计在企业循环水管道上的使用，不需要切割管道，减少了施工费用，保证了管道和工艺的安全，而且设备外置在管道外，便于安装、清洗和维护，为管线的正常运营和维护提供了很好的保障。