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外夾裝傳播時間法超聲流量計應用準則2004年3月(2)

若涂層或襯里與管壁粘結處存在氣隙,將阻礙有效超聲傳輸而無法工作。需要準確測量涂層或襯里厚度,要知道它們的傳播聲速。有些型號儀表因已錄寫入聲速,只要輸入材質名稱即可。

②管內壁粗糙度   管內壁粗糙度對流量測量帶來四方面影響,即粗糙度對流速轉換系數K,超聲波散射,聲波反射次數和估算管壁厚度的影響。

充分發展流速分布受制于管壁粗糙度k,而流速分布影響流速轉換系數K,也就影響了流量值。圖3所示是一組不同相對粗糙度k/D(D為內徑)下的K-Re關系線。從圖3中可以看到很粗糙的內壁(如碳鋼、鑄鐵管銹蝕疤癤),可能帶來4%的誤差。

         圖3  內壁粗糙度對轉換系數K的影響

管內壁愈粗糙超聲散射愈嚴重,作為通則較粗糙的內壁采用較低的超聲波頻率。此外粗糙度高在聲道布置上還限制發射次數,例如較小管徑常采用多次發射(即W法),若相對粗糙度較大、散射嚴重而無法工作,只能改試一次發射(即V法),甚至放棄發射法改用直射(即Z法)。

要知道管材的超聲傳播性能。為求取準確換能器安裝間距,需要獲得超聲在管材中的聲速和管道尺寸。儀表產品說明書一般附有若干管材的公稱聲速數據,但實際聲速隨著成份(如不銹鋼1GrB為2990m/s,0Cr17Ni12Mo2為3175m/s)、狀態(如銅退火為2325m/s,冷軋為2270m/s)、壓力或應力、溫度而異。若不能確悉聲速,可用超聲厚度計在同一材料已知厚度件上測定。

4 流體因素

   ①液體密度和粘度的影響   圖1中討論到不同Re段的系數K,而Re又是流速、液體粘度和密度、管道尺寸的函數,因此Re與粘度、密度有關,應用時要核對是否已經避開過渡區。特別在測量小管徑高黏度液體時更應關注。

②液體聲速   使用外夾裝TTUF在初裝調試階段要由用戶輸入液體聲速,作為設置換能器間隔距離的一個步驟。按照不同儀表設計類型,有些以此聲速定義儀表的流量公式,有些從傳播時間估算新的聲速。后一功能可補償受液體溫度影響引起的變化。要儀表正確地運行,換能器間距和聲速的準確性是十分重要的。有時液體的確切聲速不清楚,可請制造廠測定。

③氣泡和顆粒的影響   氣泡使超聲散射,同時因液體含氣泡后會產生壓縮性而影響在液體中的聲速。氣泡還使儀表的信號衰減和信噪比下降,散射和衰減程度取決于氣泡含量、尺寸和分布。某制造廠提供典型能繼續工作的氣體含量為<10%,然而對氣泡尺寸一般未規定。顆粒會散射超聲,過去普遍認為顆粒含量應小于1%,但隨著檢測技術的提高,有些型號儀表含量允許高達≤4%①。低密度顆粒的粒子直徑小于 聲波長度),對儀表幾乎沒有影響。

④高衰減液體的局限   通常高粘度液體伴隨著高幅度的超聲衰減。例如20℃水(運動粘度1.003×10-6m2/s)在1MHz時壓力波衰減0.22dB/m,而運動粘度為1.1×10-2m2/s的蓖麻油在1MHz時衰減高達95dB/m。高黏度液體的衰減可能導致妨礙儀表正確運行。這一故障現象通常會被儀表電子部分檢測出來。粘度衰減程度通常是聲波頻率的函數,降低儀表工作頻率有時可使之正常工作。

制造廠曾有應用TTUF于某些高黏度液體失敗的經歷,例如高濃度磷酸,30%以上氫氧化鈉,原油、蓖麻油、漆等。

5 操作運行

  ①聲波在液體中傳送方式和換能器布置   外夾裝TTUF的聲波在液體中傳送方式有三種,即直接投射(Z法)、一次發射(V法)和多次反射(W法)。三種方法中主要使用Z法和V法,較少使用W法。Z法用于大管徑,聲稱比其它方法短,信號損失小,然而正確安裝、測量換能器間距和準直較為困難;V法聲程較長,可得較佳時間分辨能力,受旋轉流影響小,兩換能器安裝在管道同側,定位準直和測量間距容易準確;W法用于小管徑以增加聲程。

在水平管道上換能器最好裝在管道截面積“3或9點鐘”的位置,這樣可避免安裝“12或6點鐘”位置時液中氣泡集源于頂部,顆粒沉于底部流動給測量帶來影響。

②換能器定位   定位方法按換能器設計和聲波傳送方法而定。大部分換能器用如鋼帶(絲)等鎖緊機構定位,安裝于測量好的相隔相離位置。制造廠還常提供“校準軌道”,以幫助測量距離和定位。

如置于預定位置卻沒有信號,有些制造廠建議實施稱作“掃描”的操作步驟。移動兩換能器相對位置直到找到信號,或信號從弱變強。兩換能器開始相距遠一些。然后相向漸漸靠近的方法,較之開始相距較近再相背遠離掃描為佳。如果通過掃描才有信號,說明管直徑、壁厚、材料和液體的參數等可能設定有誤,從而原定位置找不到,因為“正確位置”只有一個。

③從安裝調試獲悉流動狀態    流速分布畸變的流動和旋轉流很大程度上干擾測量準確度。應按上文所述要求,儀表與上下游擾動源相隔相當距離。不管怎樣,采用下述一些方法可獲悉大體流動狀態,取得最佳效果。

沿著管圓周移動兩換能器,核對所測得不同位置的流速,最大流速可能是最接近實際的平均流速,因為在最不對稱位置時的平均流速讀數最低。這是所有發表實驗報告論據所建議的評估方法。從不同位置所測得流速還可估量不對稱流速分布的狀況和不對稱程度。

比較Z法和V法各自測得的流速,如果兩者相差很大,表明存在嚴重橫向流動,也就是有旋轉流的跡象。應給予注意。

④耦合劑和管表面處理   耦合劑使超聲在換能器和管壁接觸表面有可靠的傳輸。長期(固定)安裝和短期(移動)安裝應用不同的耦合劑。長期應用型耦合劑基本上是阿拉提膠(Araldites)和不加填料的環氧樹脂(填料會散射超聲)。永久性固定安裝耦合劑需定期檢查,檢查周期按其類型由供應商規定,也可用有診斷功能的TTUF本身檢查何時應予調換。

短期應用型耦合劑有硅脂、車軸脂等,要保證它們不干枯,推薦擠出3~4mm厚約5mm直徑耦合劑沿著換能器然后壓向管壁。

在處置耦合劑前還應作好下述預處理措施和注意事項:

a.安裝換能器區的管外壁要始終清潔、無油脂,若有涂層等覆蓋層必須去除之,特別對含有纖維和金屬網的覆蓋層。

處理管壁時要保持管道原有圓周線輪廓。因為要保持換能器表面和管道軸平行,因為1℃角度誤差可能改變1%~2%的聲程長度。

b.不要應用過量耦合劑,必須十分小心以防止過度鋪開和混合耦合劑時進入空氣。多粉塵多絮狀物環境下要十分注意防止其混入,因粉塵和絮狀物會減小耦合作用,且易使耦合劑干枯。

c.如管壁有凹坑,用足量耦合劑填滿之,形成完整的聲路。若是塑料管,略為打毛表面以保證環氧樹脂等耦合劑黏附。

⑤液體溫度   液體溫度會有幾方面的影響,即影響在液體中的聲速,液體密度和粘度,以及由這些而影響雷諾數和流速分布。若流程中液體溫度預期是有變化的,儀表應具備補償功能。此外,液體溫度也左右著耦合劑的選擇。低溫和高溫還要選用專用換能器,溫度增加會降低某些保護壓電晶體封裝材料的聲透射性。溫度過高將降低壓電晶體的有效性甚至停止工作。有能用于測量-190~+500℃的專用換能器,但標準換能器的典型溫度范圍為-40~+100℃。有些高溫用換能器采取裝在經金屬耦合體接續的長緩沖棒末端。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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