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摘要：
本文主要介绍孔板流量计的工作原理、使用特点、探头安装管段的选择、使用和维护。
目前流量测量已有很大发展, 新型流量仪表也不断出现, 没有一种流量仪表能适用于所有工业介质的流量测量, 它们在性能上有其特点和相应的适用范围。利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理, 适用于不同场合的各种形式的孔板流量计已相继出现。外夹、时差式超声波液体流量计, 适用于工业环境下连续测量不含大浓度悬浮粒子或气体的绝大多数清洁均匀液体的流量和热量, 其应用领域涉及到工业、农业、水利和污水处理等行业。
1 孔板流量计的工作原理和特点
1.1 孔板流量计的工作原理
超声脉冲在流体中传播的速度与流体速度有对应的关系, 即顺流时的超声脉冲传播速度比逆流时传播的速度要快, 这两种超声脉冲传播的时间差越大, 则流量也越大, 据此, 实现流量测量。在实际工作过程中, 处在上下游的传感器将同时发射超声波脉冲, 如图1所示, 显然一个是逆流传播, 一个是顺流传播。流体的作用将使两束脉冲以不同的传播时间到达接收换能器。由于两束脉冲传播的实际路程相同, 传输时间的不同直接反映了流体流速的大小。
图1 时差法测量原理
时差法测量技术:两个传感器既作为超声信号发射器和接收器。当传感器安装在管线上他们相互之间进行声信号通讯, 工作时, 每一个传感器作为发射器, 发射一定量的声脉冲, 然后作为接收器接收相同数量的信号, 顺流与逆流方向上声信号发射与接收的时间间隔被测量, 当管内流体静止时, 顺流与逆流方向的声传播时间相等, 当液体流动时, 顺流方向的信号传播时间短于逆流方向。顺流与逆流方向传播的时间差与流速成正比。
1.2 孔板流量计的特点
孔板流量计是一种非接触式仪表, 流体中未设置任何阻碍件, 属无阻碍流量计, 对流束无影响, 也没有压力损失, 它既可用于任何流体, 特别是具有高黏度、强腐蚀, 非导电性等性能的液体的流量测量, 也能测量气体流量。特别在大口径流量测量方面有较突出的优点, 它是发展迅速的一类流量计之一。
现今所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波传感器器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制, 以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。另外, 孔板流量计的测量线路比一般流量计复杂。
2 孔板流量计的安装
2.1 孔板流量计安装管段的选择
选择安装管段对于顺利地通过安装程序, 获得最高的测量精度是至关重要的。所选管段应避开干扰和涡流这两种对测量精度影响较大的情况, 一般选择管段应满足下列条件:避免在水泵、大功率电台、变频, 即有强磁场和震动干扰的地方;上下游直管段内径与流量计内径之差小于流量计内径的1%, 其绝对值应小于5 mm。紧邻流量计的上、下游须安装一定长度的直管段, 上游要大于10D (注:D=直径) , 下游要大于5D;安装传感器的位置能够保证管道始终满管, 如果流体不满管, 就会造成超声波信号的阻断, 无法正常安装和测量。不要直接安装在能够产生压降的设备下游, 如扩径、阀门、插入装置等, 由于管道内的液体当压力降低时会不同程度地释出气体, 产生气泡, 液体中气体含量增加会降低信号的强度, 同时增加了噪声。选择管材应均匀致密, 易于超声波传输的管段, 例如除去管道表面容易剥落的油漆, 铁锈, 水垢等杂物, 保证和换能器接触的管道面平整不会存在气泡。如果管道的涂漆是非常质密的, 无需完全清除掉, 只需要表面光滑平整。确认所选位置管道的口径和仪表编程一致。管道外径必须精确地实际测量。传感器安装在垂直管道时, 首选的方向是自下而上, 只有在现场条件不具备时, 才考虑自上而下, 但是这时必须保证管道内的背压, 确保管道内液体处于满管状态。
2.2 传感器的安装方式
探头安装方式常用的基本两种, 这两种方式分别称为V法和Z法。一般地在小管径时 (DN100~300 mm) 可先选用V法, 如图2所示;V法一般情况下是标准的安装方法, 使用方便, 测量准确。可测管径范围为25 mm至大约400 mm;安装探头时, 注意两探头水平对齐, 其中心线与管道轴线水平一线。
当管道很粗或由于液体中存在悬浮物、管内壁结垢太厚或衬里太厚, 造成V法安装信号弱, 机器不能正常工作时, 选用Z法安装。V法测不到信号或信号质量差时则选用Z法, 管径在DN300mm以上或测量铸铁管时应优先选用Z法。
Z法可测管径范围为100 mm至大约3000 mm。实际安装流量计时, 建议300 mm以上的管道都要选用Z法, 如图2所示。
图 Z法安装示意图
3 孔板流量计的维护及故障处理
孔板流量计的维护量非常低, 常规维护为6~12月一次:检查探头端面是否有油或灰尘附着物, 具体时间间隔根据现场情况定。
3.1 孔板流量计维护
3.1.1 零流量的检查
当管道液体静止, 而且周围无强磁场干扰、无强烈振动的情况下, 表头显示为零, 此时自动设置零点, 消除零点飘移, 运行时须做小信号切除, 通常流量小于满程流量的5%, 自动切除。同时零点也可通过菜单进行调整。
3.1.2 仪表面板键盘操作
启动仪表运行前, 首先要对参数进行有效设置, 例如, 使用单位制、安装方式、管道直径、管道壁厚、管道材料、管道粗糙度、流体类型、两探头间距、流速单位、最小速度、最大速度等。只有所有参数输入正确, 仪表方可正确显示实际流量值。
3.1.3 流量计的定期校验
为了保证流量计的准确度, 需进行定期的校验, 通常采用更高精度的便携式流量计进行直接对比, 利用所测数据进行计算:误差= (测量值-标准值) /标准值, 利用计算的相对误差, 修正系数, 使得测量误差满足±2%的误差, 即可满足计量要求。
3.1.4 定期维护
对于外贴换能器孔板流量计, 安装以后无水压损失, 无潜在漏水, 只需定期检查换能器是否松动, 与管道之间的黏合剂是否良好即可;插入式孔板流量计, 要定期清理探头上沉积的杂质、水垢等有无漏水现象;如果是一体式孔板流量计, 要检查流量计与管道之间的法兰连接是否良好, 并考虑现场温度和湿度对其电子部件的影响, 等等。定期维护可以确保孔板流量计的长期稳定运行。
3.2 孔板流量计常见故障与处理:
3.2.1 故障现象:无信号
故障原因及解决方法:
(1) 换能器与主机之间连线断开了。解决方法:重新连接; (2) 出现了电源污染。解决方法:净化电源; (3) 换能器位置发生了移动。解决方法:重新调整换能器位置。
3.2.2 故障现象:瞬时流量稳定, 但比实际值偏大
故障原因及解决方法:
换能器声楔出现故障。解决方法:更换换能器。
3.2.3 故障现象:瞬时流量波动大
故障原因及解决方法: (1) 流体受到干扰, 流态不稳。解决方法:更换换能器位置; (2) 主机阻尼系数设置太小。解决方法:增大阻尼系数。
3.2.4 故障现象:瞬时与累计流量不一致
故障原因及解决方法:
主机出现了故障。解决方法:更换主机。
4 结束语
孔板流量计作为一种以微电技术为基础的高精度测量设备, 虽然其本身具有一定的抗外界电磁和电子干扰的能力, 但是安装现场往往复杂多变, 如果不对使用环境中的“电气噪声”提出要求, 那么在设计和安装时就有可能由于疏忽将其置于电磁场合电子干扰环境之中, 比如变压器或固定的无线通讯场所附近, 仪表测量的准确性及工作的可靠性就因此可能受到影响。孔板流量计均可管外安装、非接触测流, 仪表造价基本上与被测管道口径大小无关, 是较好的大管径流量测量仪表。并且孔板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不影响生产管线运行。
