眾所周知,超聲波早已成熟地應用于液體流量的測量上,但由于技術上的難題,使得在氣體流量上進展不大。主要的技術問題是:

超聲波換能器材質和氣體介質的特性阻抗相差甚遠。造成換能器發射和接收效率太低。假設換能器的發射面用鋁制作,通過理論計算可知:換能器在向空器發超聲波時,有99.987%的聲能只占0.0126%。同理,接收換能器從空氣中接收到的超聲波,也只有0.0126%的聲能透過換能器表面。

用于測量氣體體積流量和質量的超聲波流量計,其關鍵技術為：

(1)采用超聲波匹配理論,選擇合適的聲匹配材料,提高了超聲波換能器的發射、接收效率;并提高了換能器的靈敏度。

(2)采用超穩定鎖時技術,獨特的時序測量技術,使得測量超聲波傳播時間的靈敏度達到0.1ns,即時間分辨率為0.1ns。從而可以實現傳播時間的高精度測量。

(3)測量原理為速差法,與傳統的時差法有明顯的區別,圖1表示超聲波的檢測的原理,超聲波在兩個傳感之間的順流和逆流的傳播時間(ts,tn)分別為:

ts=L/(C+vcos?)          (1)

tn=L/(C-vcos?)          (2)

式中,C為超聲波在介質中的聲速;v為介質的流速;θ為超聲波聲程L與管道軸線之間的夾角。根據(1),(2)可得:

v=(L/2cosθ)(1/ts-1/tn)         (3)

由上式可知,v與1/ts,1/tn有關,與介質本身無關。而通常采用的時差法測量流量是與流體的聲速C的平方成正比,而C與流體的溫度等環境參數有關,這必然降低了測量的準確性。

關鍵問題的解決使超聲波完全具備了對氣體流量的測量。而且同超聲波液體流量計一樣具有以下特點。

(a)實現非接觸測量,無阻力無壓力損失;

(b)流速檢測與介質成分、密度、溫度等無關;

(c)儀器對介質流速的高靈敏度,使得測量極慢速或快速流動介質,均可滿足精度要求。

(d)測量范圍寬:流速0-60m/s,zui小測量流速為0.03m/s,口徑100~2000mm;

(e)可在高低溫、潮濕、粉塵、振動等環境下長期穩定的工作,壽命可達10年以上;

(f)其換能器可通過加裝閘閥,實現在線拆裝。

孔板測量系統量程范圍窄,造成的原因有兩個方面:

(1)孔板本身的原因

根據GB/T2624-93標準,節流件的流出系數C是一個無量綱的常數,它的大小取決于節流件形式、取壓方式、直徑比β、雷諾數及其它因素;可膨脹系數c的大小與直徑比β、流體壓力P、差壓△P、可壓縮流體的等焓指數有關。在工況符合設計的條件下,測量小流量時,流出系數增大,可膨脹系數減少。?減少的程度遠小于C增大的程度,造成儀表顯示的流量比實際值小。在應用中,孔板的量程比在3:1以內時, ?和C變化不大,孔板裝置本身產生的誤差小于0.5%。

(2)差壓測量系統的誤差

首先,不考慮孔板裝置本身的誤差,而且工況條件不變化,以下面的例子說明當量程超出3:1時,差壓測量的示值誤差。

如:一臺變送量程為1000Pa,準確度級別為0.25級。在流量為1/4滿量程,即差壓為62.5Pa時示值誤差為:Ep=0.25%×√1000/62.5=1%其對流測量誤差的影響為1%~2%當流量為滿量程的1/5,即差壓為40Pa時,Ep=0.25%×√1000/40=1.25%，同樣的,測量回路中的開方器和顯示儀表在小流量工作時,儀器的準確度也會大幅度下降。而且開方器一般設有小信號切除電路,將低于1%的輸入信號切除。
工況參數偏離設計參數

工況參數是指測量時液體的溫度、壓力、粘度、密度等參數。流量的理論計算公式就是在這種條件下推導出來的。在工業生產中,由于負荷和季節的變化,工況參數在工業現場是波動的,這必然造成管道內徑D、孔板孔徑d、流出系數C、氣體的可膨脹系數ε、流體密度的變化,當這種波動越過一定值時,依據設計工況參數測量的流量值將偏離實際測量。當工況參數變化大時,測量值將嚴重偏離實際值,對生產、計量產生影響。
差壓流量計如何解決計量難點

(1)加強孔板計量系統的維護檢修,這是解決計量問題的基礎。系統的維護檢修包括:儀表部分:每天儀表巡檢,取壓管定期排污,變送器、二次表周檢;孔板部分:半年清洗一次孔板;另外,管道要定期排水,在清洗孔板時,對孔板前2D,孔板后1D的管道進行清洗。

(2)增加溫度、壓力測量系統,采用高精度智能型差壓變送器提高差壓的測量精度和開方精度;采用智能型流量積算儀對煤氣工況變化引起的流址系數、膨脹系數、開孔尺寸的變化進行補正。通過這些設備可以將流量的精確測量范圍擴大到4:1以上。

(3)使用孔板較好的解決以上問題的方式是采用多根流量管并聯的方式。以昆明焦化制氣廠煤氣計量為例。其采用了三根流量管,兩根為Φ400mm,一根為Φ300mm;安裝三套**孔板閥配套三臺1151差壓變送器、壓力變送器及ITE 度變送器;二次表為SPLR可編程運算器。運行方式為:根據開動的加壓機數量人工開啟某**量管;每月清洗孔板一次。二次表對煤氣工況變化進行補償。

超聲波氣流量計的成功應用是氣體流量計上的一次飛躍。它代表著21世紀氣體流量的zui新發展方向,具有廣闊的應用前景。