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超声波流量计在气体计量的应用
众所周知,超声波早已成熟地应用于液体流量的测量上,但由于技术上的难题,使得在气体流量上进展不大。主要的技术问题是:
超声波换能器材质和气体介质的特性阻抗相差甚远。造成换能器发射和接收效率太低。假设换能器的发射面用铝制作,通过理论计算可知:换能器在向空器发超声波时,有99.987%的声能只占0.0126%。同理,接收换能器从空气中接收到的超声波,也只有0.0126%的声能透过换能器表面。
用于测量气体体积流量和质量的超声波流量计,其关键技术为:
(1)采用超声波匹配理论,选择合适的声匹配材料,提高了超声波换能器的发射、接收效率;并提高了换能器的灵敏度。
(2)采用超稳定锁时技术,独特的时序测量技术,使得测量超声波传播时间的灵敏度达到0.1ns,即时间分辨率为0.1ns。从而可以实现传播时间的高精度测量。
(3)测量原理为速差法,与传统的时差法有明显的区别,图1表示超声波的检测的原理,超声波在两个传感之间的顺流和逆流的传播时间(ts,tn)分别为:
ts=L/(C+vcosƟ)          (1)
tn=L/(C-vcosƟ)          (2)
式中,C为超声波在介质中的声速;v为介质的流速;θ为超声波声程L与管道轴线之间的夹角。根据(1),(2)可得:
v=(L/2cosθ)(1/ts-1/tn)         (3)
由上式可知,v与1/ts,1/tn有关,与介质本身无关。而通常采用的时差法测量流量是与流体的声速C的平方成正比,而C与流体的温度等环境参数有关,这必然降低了测量的准确性。
关键问题的解决使超声波完全具备了对气体流量的测量。而且同超声波液体流量计一样具有以下特点。
(a)实现非接触测量,无阻力无压力损失;
(b)流速检测与介质成分、密度、温度等无关;
(c)仪器对介质流速的高灵敏度,使得测量极慢速或快速流动介质,均可满足精度要求。
(d)测量范围宽:流速0-60m/s,zui小测量流速为0.03m/s,口径100~2000mm;
(e)可在高低温、潮湿、粉尘、振动等环境下长期稳定的工作,寿命可达10年以上;
(f)其换能器可通过加装闸阀,实现在线拆装。
孔板测量系统量程范围窄,造成的原因有两个方面:
(1)孔板本身的原因
根据GB/T2624-93标准,节流件的流出系数C是一个无量纲的常数,它的大小取决于节流件形式、取压方式、直径比β、雷诺数及其它因素;可膨胀系数c的大小与直径比β、流体压力P、差压△P、可压缩流体的等焓指数有关。在工况符合设计的条件下,测量小流量时,流出系数增大,可膨胀系数减少。Ɛ减少的程度远小于C增大的程度,造成仪表显示的流量比实际值小。在应用中,孔板的量程比在3:1以内时, Ɛ和C变化不大,孔板装置本身产生的误差小于0.5%。
(2)差压测量系统的误差
首先,不考虑孔板装置本身的误差,而且工况条件不变化,以下面的例子说明当量程超出3:1时,差压测量的示值误差。
如:一台变送量程为1000Pa,准确度级别为0.25级。在流量为1/4满量程,即差压为62.5Pa时示值误差为:Ep=0.25%×√1000/62.5=1%其对流测量误差的影响为1%~2%当流量为满量程的1/5,即差压为40Pa时,Ep=0.25%×√1000/40=1.25%,同样的,测量回路中的开方器和显示仪表在小流量工作时,仪器的准确度也会大幅度下降。而且开方器一般设有小信号切除电路,将低于1%的输入信号切除。
工况参数偏离设计参数
工况参数是指测量时液体的温度、压力、粘度、密度等参数。流量的理论计算公式就是在这种条件下推导出来的。在工业生产中,由于负荷和季节的变化,工况参数在工业现场是波动的,这必然造成管道内径D、孔板孔径d、流出系数C、气体的可膨胀系数ε、流体密度的变化,当这种波动越过一定值时,依据设计工况参数测量的流量值将偏离实际测量。当工况参数变化大时,测量值将严重偏离实际值,对生产、计量产生影响。
差压流量计如何解决计量难点
(1)加强孔板计量系统的维护检修,这是解决计量问题的基础。系统的维护检修包括:仪表部分:每天仪表巡检,取压管定期排污,变送器、二次表周检;孔板部分:半年清洗一次孔板;另外,管道要定期排水,在清洗孔板时,对孔板前2D,孔板后1D的管道进行清洗。
(2)增加温度、压力测量系统,采用高精度智能型差压变送器提高差压的测量精度和开方精度;采用智能型流量积算仪对煤气工况变化引起的流址系数、膨胀系数、开孔尺寸的变化进行补正。通过这些设备可以将流量的精确测量范围扩大到4:1以上。
(3)使用孔板较好的解决以上问题的方式是采用多根流量管并联的方式。以昆明焦化制气厂煤气计量为例。其采用了三根流量管,两根为Φ400mm,一根为Φ300mm;安装三套高级孔板阀配套三台1151差压变送器、压力变送器及ITE 度变送器;二次表为SPLR可编程运算器。运行方式为:根据开动的加压机数量人工开启某一流量管;每月清洗孔板一次。二次表对煤气工况变化进行补偿。
超声波气流量计的成功应用是气体流量计上的一次飞跃。它代表着21世纪气体流量的zui新发展方向,具有广阔的应用前景。


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