時差式多聲道超聲流量計的特點

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時差式多聲道超聲流量計的特點

時差式多聲道超聲流量計的特點時差式超聲流量計的設計方案超聲流量計換能器的選擇超聲流量計精度的選擇超聲流量計安裝技術要求

2  RISONIC2000型時差式多聲道超聲流量計的特點

   ①本項目選型時差式超聲流量計安裝方式采用插入式,測量精度較高,如四聲路時差式超聲流量計出場標定精度為0.5%。

   ②箱涵測量為直通管,換能器在箱涵中凸出部分最小化和無阻流件,從而流體無外加壓力損失。同時,它是一種不會破壞流體的流場進行流體測量的儀表。

   ③測量精度不受介質的理化性質如電導率、粘度、溫度、壓力、組分變化等因素的影響,因此也適用于高黏度的液體的流量測量。

   ④能在運行條件下(不停流)帶壓更換換能器,維修方便。

   ⑤流體的雷諾數(Re)對測量影響較小,在正常使用情況下,儀表制造廠規定了儀表被測流速范圍0.003m/s~±20m/s,本項目設計流速遠大于最低流速這一技術指標。

   ⑥流體測量流量的范圍度(量程比)寬,可達1∶300。

   ⑦超聲流量計本身沒有機械慣性,可以快速采樣,用多次采樣平均值計算出流量,可以消除流體流速脈動造成測量的影響。

   ⑧多聲路超聲流量計為了保證傳播時間的準確測量,采取了以下有效措施:

·計數器電路采用了80MHz以上的高穩定石英晶體振蕩器,時基誤差控制在±12.5ns以內。

·準確測量信號在電子電路和換能器中傳播的延遲,并從所測得的總傳播時間中扣除,提高儀表測量精度。

·多聲路超聲流量計內部有完善的信號質量檢測電路,可有效地解決噪聲干擾、信號衰減和電路參數變化等測量精度的影響。

⑨RISONIC2000有強大的自診斷功能,在檢測過程中,對每條聲路、聲路的流速進行有效性檢驗,當無效的聲速、無效的聲路流速第一次出現時,系統將使用先前的有效值代替,如多次出現,這些測量值仍將保持凍結,用先前的測量值代替,直到一個有效的測量值被識別后,數據才予以更新。當連續出現時,將顯示無效聲路聲速、無效流速錯誤狀態報警,同時聲路布置自動切換,即當前叉斷面的某一測量聲路出現上述故障時,將自動切換成單斷面測量。當單斷面的某一測量聲路出現上述故障時,將關閉該聲路。用其它聲路代替。

⑩由于儀表用于工業現場,而且電路中存在高頻信號和超聲波換能器高壓發射信號,故存在較為嚴重的干擾。系統從軟件和硬件同時采取措施極大地提高系統地抗干擾能力,即軟件采用模塊化結構設計,利用指令冗余和軟件陷阱程序防止跑飛,硬件在微機處理的復位端由外圍電路組成防止程序跑飛的看門狗電路。

3         時差式超聲流量計的設計方案

3.1 超聲流量計測量原理的選擇

時差式超聲流量計測量時,被測液體必須能被聲波穿透,也就是液體中不能含有太高濃度的氣泡、懸浮物顆粒和沉淀物,否則聲波將被折射,影響測量精度。通常時差式超聲流量計測量時,其懸浮物含量限制在1%體積含量以內,若超過含量,則選擇多普勒原理超聲流量計。本項目的懸浮物含量僅在500ppm/L以內,因此選擇時差式超聲流量計為宜。

3.2 超聲流量計換能器聲路的選擇

超聲流量計測量原理是一種速度式流量計,流體的流態對流量計精度影響較大。若選用單聲路換能器,則儀表精度僅為5%,在聲路選擇上根據測量精度要求,可以選為1、2、4、8聲路和1~4個測量斷面的組合,就可以有效地解決流體流態在一個方向分布不對稱的影響,本次選用4聲路,滿足測量段前、后直管段要求情況下,其測量精度便可達到0.5%。

3.3  超聲流量計測量斷面范圍選擇

封閉管道     150~14000mm(圓管和矩形箱涵)

明渠         250mm~15m(最大可達150m)

3.4 超聲流量計換能器的選擇

根據安裝的場地和安裝方式不同主要三類換能器可供選擇。

①內貼式換能器:當無外露管段只能內部安裝時,可采用內貼式換能器,將其直接安裝在管內壁上。這種安裝方式簡單,也可布置1~8聲路。但在更換換能器時必須具備斷流條件才行,聲路角設計為45°,換能器和主機最大距離可達300m。

②插入式換能器:對于管內、管外均可進行施工時,采用插入式換能器是最佳方案。只要在管壁上開孔,換能器插入孔中后,通過螺母固定在管道上,并采用密封墊圈密封。插入式換能器可在管道不斷流情況下安裝,換能器凸出部分最小化。聲路角設計為45°,換能器和主機最大距離可達300m。

插入式換能器和測量管段組成一體,這就是管段式超聲流量計,換能器在生產廠內進行精確定位、出廠檢定,因而測量精度要比現場制作的精度高,若安裝E形閥門組可以整體進行,從而拆卸、檢修和標定均十分便利。

③明渠用換能器:這種換能器用于明渠(矩形、梯形、圓形)和有壓隧洞,可在斷流情況下安裝和維護,它也是一種內貼式換能器,聲路角設計為45°。當在矩形明渠中安裝時,聲路角設計在35°~70°之間均有效。換能器和主機之間最小距離150m,測量渠寬:0.25~15m,甚至50m。這時所選擇的超聲波換能器工作頻率隨之下降,頻率下降,其穿透能力隨之增強,測量渠寬隨之增大,換能器工作頻率可以從1MHz至幾百kHz進行選擇,但測量的精度隨之下降,這時可采用增加超聲波聲路辦法,提高測量精度。

3.5  超聲流量計精度的選擇

按照《企業能量計量器具配備和管理導則》GB/T17167-1997的要求:污水計量裝置配置精度為5.0%??紤]到污水的大流量、箱涵大口徑的特點,超聲流量計投運后難以進行實流標定,今后擬采用在線干式標定方法進行標定。同時,超聲流量計整個計量系統不確定度,除了取決流量計量器具本身的精度外,還涉及到箱涵截面積測定、換能器安裝的精確定位、聲路長度測定等諸多影響測量精度因素。貿易結算用的超聲流量計選用單斷面四聲路時差式超聲流量計,流量計的精度為0.5%,確保整個流量計量系統投入后不確定度在2.5%內。

3.6 超聲流量計積分數學模型的選擇

本項目是有壓箱涵均為矩形內截面去四角的幾何形狀,因此超聲波換能器的四聲路安裝位置和流體流態分布積分方式均采用IEC-41(1991.11)規程所認可的聲路安排(1E4P)和高斯-雅可比的數學模型。

4 所選時差式超聲流量計的主要技術指標

①超聲波量計測量原理:時差法,聲路布置:1E4P

  ②精度:0.5級

  ③安裝方式:污水箱涵安裝外扦式換能器

④主機:集成化的用戶畫面,大屏幕LC顯示5 位流量、瞬時流量、累計流量等信號

⑤信號處理技術:DSP(速度、面積二次積分)

⑥電源:220伏交流,并安裝防雷模塊。

⑦表自診斷功能:聲路狀態正常,接受信號強、弱,換能器無接受信號,聲路未使用,參考信號強、弱,無效測量傳播時間,無效聲速流速,無效流量(流量變化率超限),測量流量大于或小于流量規定值等信息。

⑧可進行逆向流量測量:可測雙向流

⑨測量范圍內懸浮物顆粒允許體積含量:≤1%

⑩防護等級:換能器為IP68;主機為IP65

(11)傳感器壓力等級:≥2MPa

(12)傳感器電纜:防水、屏蔽、抗強電磁干擾的加強型電纜

(13)環境溫度:主機為-20℃~+60℃

換能器為-30℃~70℃

(14)輸出信號:

4~20mA

RS-232標準通信接口

Profibus-DP:通信上傳正向和逆向瞬時、累計流量、聲路時間、自診斷信息等。信息通過現場總線上傳至FCS系統(現場總線控制系統),上位機組態監控、數據管理畫面。

5  超聲流量計施工技術要求

   大口徑多聲路超聲流量計通常由流量計主機和裝于箱涵、管道上換能器構成,因此流量計的測量誤差不僅和流量計本身的技術和質量有關,還與用于的箱涵、管道的狀況和換能器的安裝精確定位有關。首先換能器的安裝要確保其前、后直管段,其次采用國際電工委員會(IEC)規程認可的積分方式和聲路換能器的布置可以使流態分布和積分計算誤差控制在±0.1%以內。另外換能器空間位置誤差和箱涵截面積測量誤差均構成超聲波流量計測量誤差的重要原因,必須采用激光經緯儀精確定位和截面積測量。

5.1 超聲流量計安裝技術要求

   ①選取最佳測量斷面:為了達到最佳的測量性能,必須考慮到流體的流態,同時選擇最佳的測量斷面和聲路安排。首先選擇測量斷面發射或接收換能器實際安裝長度一倍于涵洞寬度,但為了保證測量段良好水流條件及流量測量精度,安裝換能器的斷面除了要求換能器上游、下游有足夠的直流段,此外將一倍涵洞寬度放大到二倍。在這一斷面上涵洞的四壁不平整度最好不超過1cm,混凝土表面光潔。

  ②換能器安裝時,其軸線方向和理論方向控制在5°以內。

  ③超聲流量計主機到換能器之間電纜長度一般要求不超過300m。

  ④超聲流量計有良好的獨立接地,接地電阻<4 。

  ⑤換能器安裝部位避免強聲源和震動,以防強聲波震動干擾。

  ⑥換能器安裝部位避免強聲源和震動,以防強聲波震動干擾。

  ⑦主機內設置防雷模塊,在現場條件許可的情況下可增設UPS電源,以滿足停電時的計量要求。

  ⑧換能器安裝在設計位置。若偏移較大時,這時將涉及積分數系數值,可選用超聲流量計自身的Owics技術(園斷面最佳加權積分軟件),將其修正到理論安裝位置,并可以補償管道的幾何偏差,提高其測量精度。

5.2  超聲流量計的安裝調試

利用專業的安裝工具和儀器(例如激光經緯儀、激光瞄準器)進行安裝調試,包括以下幾個方面:

①精確測量箱涵涵洞的斷面尺寸。測量準確度控制在毫米級以內。

②利用激光經緯儀進行精確的換能器聲道布置和換能器的定位,可使聲路角 的測量誤差控制在0.03°以內。

③換能器安裝,利用力矩扳手進行均勻緊固,以防流體泄漏。

④正確設置超聲流量計各項關鍵數據:箱涵等效高度、寬度、聲路長、聲道角,積分權系數,信號強度等級,斷面數,測量單位,粘度,正向、逆向流量等參數。并兩次復核,確認無誤才能正式投運。

6  使用情況

   9臺超聲流量計已試運行近3個月,并且供需雙方對用于貿易結算的6臺超聲流量計進行現場驗收,正式作為雙方貿易結算的依據。試運行期間的數據表明,9臺超聲流量計的不確定度達到和超過了預期的設計2.5級要求,使用效果令人滿意。在2004年7月份的10天考核運行中,4臺進水渠污水流量總和(未處理污水)與2臺出水渠污水流量總和(已處理污水)之間平均相對誤差在+2%以內,數據穩定可靠。

7  結束語

   超聲流量計成功地運用于大型箱涵污水流量計量,取得了較好的效果,完全能滿足貿易結算流量計量要求。儀表可靠性較高,儀表維護工作量小。同時,儀表提供了ProfidBus-DP通信接口,儀表與工廠現場總線控制系統(FCS系統)聯網,進行數據傳遞,為工廠生產實時監控、調度和優化控制奠定了基礎。因此超聲流量計用于大流量的計量具有很大的實用性和推廣應用的價值。

    另外,這種大流量超聲流量計的標定,在安裝前可以送國家大流量檢驗站進行實流標定,安裝后可以采用干式校驗方法進行校正。國外許多國家已經制訂了干式校驗方法的地方標準,這些干式校驗方法為超聲流量計在不斷流的情況下進行校正提供了依據,也為超聲流量計的推廣使用創造了條件。

 

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