超聲波流量計在冶金企業水計量的應用

【資料簡介】

江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明  

冶金企業是連續綜合作業，不但是耗能大戶也是耗淡水大戶。水是一種地球上的一種特殊資源，特別是淡水更是頻臨稀缺資源，地下水的噸水成本逐年大幅提高。節約用水已經不僅僅是一個企業經濟問題，更重要的是一個關乎企業持續發展與社會民生和諧發展的重大社會問題。

    計量是企業節約用水績效的測量技術支撐，計量對企業合理控制用水有著不可替代的顯示作用和指導作用。測量技術的支撐對實現企業信息化管理起著基礎作用。

    企業中的水計量，原來大多采用機械式水表，它存在著如下缺陷：⑴精度低，正負偏差大；⑵易損壞；⑶校驗或校準不便捷；⑷接表管道縮徑造成水壓力損失；⑸不能顯示實時流量；⑹特別是計量數據無法通過網絡進行遠程傳送，不能適應企業信息化需求。技術人員經過對工業液體流量儀表的資料審閱和實物對比，結合企業信息化建設需求，大多轉而采用超聲波流量計進行水計量。據了解，萊鋼、濟鋼等大型冶金企業集團計量處對總公司與煉鐵廠、煉鋼廠、各軋鋼廠、動力廠之間的水計量已逐步采用超聲波流量計，并嘗試用便攜式進行比對。

    一、超聲波流量計的測量原理

    超聲波流量計是一種非接觸式流量計。工作原理是：超聲波在流體中傳播時其傳播速度要受到流體流速的影響，通過測量超聲波在流體中傳播速度可以檢測出流體的流速而換算出流量來。

    以使用zui廣泛的時差法超聲波流量計為例，當超聲波在流體中傳播時順流方向超聲波的傳播速度會增大、逆流方向則減小，即同一傳播距離就有不同的傳播時間，再利用傳播速度之差與被測流體流速之關系求取流速而換算出流量。即當超聲波束在管道內水介質流動方向上的“上游傳感器”與“下流傳感器”之間傳播時，水的流動會使超聲波束的傳播時間相對于靜態傳播產生一個微小變化，并且這個傳播時間的變化與水的流速成正比，這就是時差式超聲波流量計的測量原理。

    其關系的理論表達式如下式：

    V＝MD/sin2θ×△T/TupTdown

    其中，M—為超聲波束在水中的直線傳播次數

    θ—為超聲波束與水流動方向的夾角

    Tup—為超聲波束在正方向上的傳播時間（由上游傳感器到下游傳感器間的傳播時間）

    Tdown—為超聲波束在逆方向上的傳播時間（由下游傳感器到上游傳感器間的傳播時間）

    △T＝Tup－Tdown

    二、超聲波流量計的特點

    超聲波流量計基于微處理技術，大多采用集成電路及低電壓寬脈沖發射技術而設計的。在測量技術上，為取得更高的分辨率和更大的測量范圍，多使用0.1ns超高分辨率時間測量線路。它專門用于液體介質測量特別是水的測量。其顯著特點是：精度等級為±1.0%，可在不停產狀態下帶壓安裝，主機既可安裝于值控室還可輸出電流、脈沖等標準信號并可利用RS232或RS485接口通訊進行計量數據遠程傳送。另外該流量計具有高可靠性、低功耗、抗干擾、安裝維護方便之優點。

    三、超聲波流量計的構造與安裝

    1、超聲波流量計的構造

    超聲波流量計一般可分現場傳感器（即探頭），傳輸電纜，顯示主機三大部分。其傳感器有外夾式、插入式、法藍式（即管段式），顯示主機分固定式、便攜式，而便攜式主機可配備外夾式傳感器對固定在線運行的超聲波流量計進行比對（現場校準）且安裝十分簡便（約10多分鐘）。

    2、超聲波流量計測量點的確定

    超聲波流量計需先選取一個適宜的測量點，然后把測量點的水管參數輸入流量計中，zui后將傳感器（即探頭）安裝在水管上。

    ⑴測量點的一般要求

    超聲波流量計的測量點要求需在一定長度的直管段上，即選擇水流分布均勻的管段，以減少測量誤差。

    ⑵測量點的選取原則
     
;   a、測量點宜選擇距上游（水流來方向）10倍管徑長度、距下游（水流去方向）5倍管徑長度的均勻直管段（即上、下游閥門在該長度以外，或水管的拐點在該長度之外）。

    b、該直管段的材質要均勻無疤、裂痕以利于超聲波傳輸。

    c、該直管段的內壁應無水垢（若略有水垢有條件時可用蒸汽或高壓水吹掃）。

    d、該直管段要充滿水（無論垂直或水平管段）。

    3、超聲波流量計傳感器的安裝

    超聲波流量計傳感器的安裝質量直接關乎水流量測量的準確性、可信度和運行可靠性。

    ⑴超聲波流量計傳感器（探頭）的分類

    常用的超聲波流量計傳感器按安裝方式有如下三種：

    外夾式傳感器—安裝時需將管外壁的擬安裝位置打磨光滑后用耦合劑將傳感器（探頭）貼于管外壁再用夾緊裝置固定。該方式能方便地在管外進行水流量測量，也適合便攜式。缺點是易因耦合劑的處置不當引起信號接收狀態惡變而影響測量的穩定性。

    插入式傳感器—安裝時用鉆孔工具在不停產狀態下將傳感器（探頭）插入管路中。優點是能在水管內壁結垢或水中帶氣情況下實現穩定可靠的測量。

    管段式傳感器—安裝時需要切開選定的直管段，采用法藍聯接。產品已經過專門出廠標定，好處是傳感器可以不停產進行維修，特點是測量準確度高。

    ⑵超聲波流量計傳感器（探頭）的安裝

    超聲波流量計傳感器（探頭）的安裝位置一般選擇兩個傳感器（探頭）管軸在輸水管道的管軸水平方向上或與管軸水平面成45度夾角。

    超聲波流量計傳感器（探頭）的安裝方式有Z、V、N、W方式。其中N、W方式適用于管徑為50mm以下的輸水管道，因使用難度和性價比較高而很少應用。常用方式有兩種： 

    a、“V”方式安裝

    “V”式安裝是標準的安裝方法，可測管徑范圍為25mm—400mm。安裝傳感器（探頭）時須注意上下游兩傳感器（探頭）水平對齊，使其中心連線與輸水管道軸線水平一致。（示意圖見說明書）

    b、“Z”方式安裝

    “Z”式安裝一般適用于輸水管道粗或水介質不很潔凈或管道內壁有水垢而使“V”式安裝信號失真狀況。一般說來，300mm以上管徑的輸水管道選用“Z”式安裝較適宜，“Z”式安裝的可測管徑范圍通常在100mm—600mm。安裝傳感器（探頭）時須注意上下游兩傳感器（探頭）與輸水管道軸線在同一平面內，且上游傳感器（探頭）在低位、上游傳感器（探頭）在高位。（示意圖見說明書）

    ⑶超聲波流量計傳感器探頭的安裝檢查

    a、主要檢查傳感器（即探頭）的安裝位置是否適宜。

    b、與水管外壁的結合是否光滑緊密。

    c、通過主機檢查信號強度和信號質量，觀察傳感器是否能夠接收到使主機正常工作的超聲波信號。

    4、超聲波流量計的調試

    ⑴按流量計要求輸入管道參數，并記錄。

    ⑵對上下游傳感器（即探頭）的安裝位置、間距、管道接合度進行調整，將上下游兩個方向上接收的信號強度調整至zui強（信號強度越大則測量值越穩定、可信度越大，越能長時可靠運行）。

    5、超聲波流量計計量數據的遠傳與共享

    技術人員通常通過PC機或其他通信設備實現超聲波流量計的通信，用適當的串行口電纜將超聲波流量計的標準串行口與上位機串口聯接起來，用軟件在上位機上發出預先設置的命令，就可使流量計發出相關的應答信號。

    技術人員使用超聲波流量計的標識碼作為網絡地址碼，使用相應命令集作為通信協議，使用流量計的電流環及其OCT輸出來控制步進式（或模擬式）電磁閥的開度，繼電器輸出可控制其他設備的上下電，既可實現數據采集又可實現遠程控制（數據的傳送硬件在較近距離時使用RS232或RS485接口通訊，在較長距離時采用電流環或無線傳輸），通過以太網將流量計數據傳入企業網實現公司內相關二級單位的數據共享。并實現了水計量的實時監控狀態。