高温超声波流量计测量可靠性研究

摘要：通过试验，分析了超声波流量计粗糙度设置与粘度设置对测量结果的影响，并与孔板流量计测量结果比对，表明，超声波流量计测量结果随着粗糙度设置值增大而增大，随着粘度设置值增大而有小幅增大，在未知管壁粗糙度和导热油高温粘度值时，超声波流量计不能实现的高温导热油流量测量。
锅妒能效值迳锅炉节能工作的重要组成部分，而有机热载体锅炉又是我国工业锅炉的重要组成部分，特别在印染、化工、轻纺等产业发达的省市，有机热载体锅炉比重更大。由于有机热载体锅炉介质的特殊性，其排烟温度往往较高，节能潜力巨大，是工业锅炉节能的重要目标。在有机热载体锅炉能效测试时，介质流量测试准确性致关重要，但在实际操作中，高温介质流量的测量始终是一个难点，往往存在可操作性差、测量结果误差大，甚至无法测量等一系列问题。通常的孔板、涡轮、智能涡街流量计在测试前需要停炉安装，影响使用单位的正常生产，流量计安装时导热介质会污染环境，安装和恢复还存在一些不安全因素，所以普通流量计在实际热载体锅炉能效测试中应用困难。常规的超声波流量计安装虽不影响锅炉正常运行，但可测介质温度一般不超过120℃，也无法满足热载体锅炉高温介质流量的测量要求。高温超声波流量计，采用高温导波器及超声探头，理论上zui高可测温度达400℃，基本满足我国目前有机热载体炉的介质流量测试的温度要求。
目前国内主要使用的是ABG仪表集团研发的高温超声波流量计，现就此类高温超声波流量计测量可靠性进行研究。
1高温超声波流量计工作原理
检测系统采用时差式流量测量方法，其原理是通过测量介质对双向声波信号的影响，来确定介质的流速，测量原理如图1所示。检测系统的两个传感器（T1、T2），以一定的间距安装在管壁外，交替发射和接收超声波。当声波在静止的介质中传播时，从Tl到T2的声波信号传送时间与从，r2到Tl的传送时间相同；当介质流动时，上游传感器Tl向下游
传感器T2发射一个信号，同时下游也向上游发射信号，而介质流速对声波信号的作用，将加快从上游到下游方向的信号速度，同时减慢从下游到上游方向的信号速度，两个信号
之间产生时间差△t。由此求得液体的流速，再与流通截面积相乘，计算出流量。

Ka-标定系数：
△t-传感器测量时问差：
t1-声波穿过介质时间
2高温超声波流量检测系统组成及特点
该检测系统主要由主机、高温导波器（由金属导波板、传感器夹具、管道夹具、声耦合片构成，见图2）、传感器组成．测试时．金属导波板将传感器T1（T2）的超声波信号近乎无衰减地传递给管壁，再通过介质传递后。被传感器T2（T1）接收，同时，导波板的冷却效应使得传感器表面和管道表面之间产生一个温差，有效阻隔了传热，使传感器不承受高温，增强了系统整体耐温能力，从而满足了流量测量的高温要求。传感器与金属导波板的连接如图3所示。

3安装与调试方法
测试前，应查阅锅炉相关技术资料，包括锅炉的结构和运行系统，有关管路的材质、规格，导热介质的理化特性如运动粘度、密度等。此外，还要确认锅炉运行参数，并对现场进行实地勘察，zui后确定测量位置。一般来讲，测量点应选择充满介质的直管段，尽可能远离泵、阀门等设备，避免紊流带来测量误差。根据仪器要求，传感器应安装在上游直管段为1OD，下游直管段为5D的位置，对于上游存在泵、阀门等设备时，要求上游直管段为50D以上才能保证测量准确性。
根据管道规格及被测介质温度选择高温导波器及传感器型号，在高温导波器安装前，应先确定安装距离参数。将仪器连接好，开机输入测点管道的外径、壁厚、材质、内衬、粗糙度，介质的运动粘度、密度、温度、声速预估区间等参数，选择测量通道、测量量、测量单位、声程数等参数，仪器通过已设置的参数计算出高温导波器的安装距离参数，根据距离参数安装导波器。其中热载体对金属管道无腐蚀性，管道一般无内衬，而租糙度通常结合管道的使用年限进行评估，选择0．O5~0．1m。在仪器的设置和安装过程中，需要注意以下几个问题：
（1）测量点应避开在管道缺陷或焊缝的位置附近，在水平管道上测量时，传感器应安装在管道侧面，以避开管道中的沉积物。
（2）管道的设计壁厚与实际壁厚可能存在偏差，仪器参数设置前，应对管道壁厚和外径进行多点测量，保证参数设置准确性。
（3）介质声速跟温度有较大关系，根据导热介质常规运行温度，声速的预估区间应设置为700~800m/s，在系统调试时，需要重新调整传感器间距，获得准确的介质声速。
（4）高温导波器的距离参数主要包括：传感器间距、夹具中心间距、导波板前端同距、传感器与导波板距离。导波器安装时，两片导波板必须在同一平面且与管线正切的方向，才能使导波板将传感器的信号良好地传递给管壁。如果定位不准，将会影响到声波的发射和接收，进而影响测量准确度．
（5）为了获得*声耦合效果，应选用仪器专配的高温型耦合剂．若选用普通型耦合剂，在高温条件下，短期内将会失效，导致系统无法正常工作。
安装完成后，必须对系统进行调试。根据仪器显示的信号强度，调整传感器位置，以获得zui大信号“s强度，按仪器指示将移动后的距离参数输入系统，会得到介质声速近似值．根据声速近似值缩小声速的预估区间，并将其重新输入系统。重复以上定位步骤，多次调整，直至传感器计算距离与实际距离之差小于5m，并获得zui大信号“S”强度。此时，仪器显示介质声速的准确值，检测系统调试完成。
上述相关参数中，导热油粘度与现场管道的租糙度需要进行设置。通常情况下，不同的管道粗糙度差别并不大，机器内置的是0.1mm、0.2mm、0.3mm至0.9mm等每隔0.1mm的递增。不同厂家的导热油粘度有差别，流量计内置了一些大石油厂家的导热油参数，可以直接选择。不用设置，如SHEL公司的导热油，也可以手动输入导热油参数·以下通过试验方法，采用超声波流量计和孔板流量计对同一管道、同一工况下的导热油炉的流量进行测量，并进行对比，以研究在未知粘度和管壁粗糙度情况下，超声波流量计设置不同粘度值和粗糙度值时两种流量计测试结果的差别大小，从而验证在未知上述参数情况下使用超声波流量计测量流量的可靠性。
4改变粗糙度值设置的试验结果及分析
在考虑粗糙度值设置对测量结果的影响时，要设置一个粘度值，测试现场使用的是首诺的导热油，其名称为THERMINOL669（其物性参数已知），根据现场导热油的出口温度为320℃，设置此时其粘度值为0.47m2/s。图4是粗糙度值设为0.1mm时，超声波流量计与孔板流量计的测量结果读数比较。总共测量次数为1O组。

由图中可以看出，l0次测量结果中，两种流量计的读数均较为平稳，和现场实际工况也吻合：生产24小时不问断，所测锅炉全天工况流量均非常稳定。但超声波流量计读数较孔板流量计读数偏大。
图5是粗糙度值设为0．2m时，超声波流量计与孔板流量计的测量结果读数比较。总共测量次数也为1O组。

图5曲线和图4较为相似，两种流量计lO次测量结果读数均很稳定，与图4不同的是，超声波流量计较孔板流量计读数更大。
图6是粗糙度值设为0．3m时，超声波流量计与孔板流量计的测量结果读数比较。总共测量次数也为10组。

图6中两种流量计lO次测量结果读数也很稳定，波动较小。
以上三组试验表明，超声波流量计粗糙度设.1mm到0.9mm，每个粗糙度设置值下10次测量结果的平均值与孔板流量计每1O次测量结果的平均值比对曲线。

图7表明，超声波流量计的测量结果读数随租糙度设置值增大而趋于增大，并且与孔板流量计的测量结果读数差别也增大，逐渐高于孔板流量计的测量结果读数。
结合以往的测量经验，以及J：述测量结果和孔板流量计的比对分析。当不能准确获得管内壁租糙度时，该值设置取0.1mm时较为合理。
5改变粘度值设置的试验结果及分析
超声波流量计粗糙度值设置为01mm，改变粘度设置专值，研究粘度值设置对超声波流量计测量结果读数的影响，每个粘度设置值下测量10次结果，并与孔板流量计对比．
图8为运动粘度为0.38m/s时，超声波流量计与孔板流量计的测量读数结果比较。

图8表明，超声波流量计lO次测量结果较为平均，每次测量值均高于孔板流量计。
图9为运动粘度为0．49m2／s时，超声波流量计与孔板流量计的测量读数结果比较．

图9与图8类似，超声波流量计与孔板流量计的读数均比较稳定，前者读数比后者读数大。
图lO为运动粘度为0.63mm2/s时，超声波流量计与孔板流量计的测量读数结果比较。

图l0结果与图9、图lO结果类似，超声波流量计与孔板流量计的读数均比较稳定，前者读数比后者读数大。
图11为运动粘度为0．97mmZ2/s时，超声波流量计与孔板流量计的测量读数结果比较。

图11结果与前三组图类似。
图12为运动粘度为1.46m2/s时，超声波流量计与孔板流量计的测量读数结果比较。

图12结果与前四组图也类似。
上述试验比对结果较为相似：超声波流量计与孔板流量计的读数均比较稳定，前者测量结果读数比后者偏大约5％～1O％。
图13给出了超声波流量计若干粘度设置值下l0次测量结果的平均值与孔板流量计每lO次测量结果的平均值比对曲线。这里设置的粘度值范围为0.38mm2/s~1.85mm2/s，对应的导热油温度是380℃~140℃，覆盖了一般有机热载体锅炉导热油的使用温度范围。

图l3表明，粘度值变化时，超声波流量计测量结果读数随粘度设置值增大有小幅度增大的趋势，在实验粘度设置值范围内下各测量结果读数波动约为±5％左右。超声波流量计测量结果读数比孔板流量计偏大约5％~10％。
据有关资料显示，常温下其粘度值在20mm2/s40mm2/s之间，与高温下的牯度值相差一、两个数量级。按照图13中超声波流量计测量结果读数随粘度设置值的变化趋势，若在实际澳I试中输入常温下的粘度值，其测量结果读数与孔板流量计的读数将进一步拉大。可以判断，在未能获得导热油工作温度下准确的粘度值时。输入常温下的粘度值将不能准确测得导热油的流量，即超声波流量计在现有的情况下不能实现的导熟油流量测量。
6总结
通过试验研究。分析了超声波流量计粗糙度设置与粘度设置对测量结果的影响及与孔板流量计测量结果读数的比对情况：结果表明．超声波流量计测量结果读数随着粗糙度设置值增大而增大，同时也随粘度设置值增大而有小幅增大。试验粘度值设置范围内各量结果读数波动约为±5％左右，超声波流量计测量结果读数比孔板流量计偏大约5％~10％，在未知管壁租糙度和导热油高温时的粘度时，超声波流量计不能实现的高温导热油流量测量。