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超声波流量计的测量及应用

发布时间:2018/1/5 9:37:11 点击量:

随着计算机技术的飞速发展和普及,数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中,应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录,为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。数据采集就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别得数字信号,然后再做进一步处理。

超声流量计是通过检测流体流动对超声脉冲的作用以测量流量的仪表。

根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。

2 超声波流量计原理

2.1 组成

非接触式超声波测量系统由两部分组成:一个超声波信号换能器和一个远距安装的电子发收器。换能器不断发射一系列的超声波并接收自被检测的液体或固体表面返回的反射回波。发收器中的微处理器将信号作进一步处理,并将数据作为LCD数字显示。

(1)声波是机械波的一种,频率超过2×104Hz的声波为人耳所昕不到的超声波频率。它的波长λ、频率f与速度c的关系为

λ=c/f

(2)超声波的反射、折射

当声波传播至两介质的分界面,一部分能重返回原介质,称为反射波,另一部分能量透过介质面到另一介质面内继续传播,称为折射波。

反射定律:

sinα/sin流量计信息网内容图片=c1/c2

式中,入射角α,入射波速c1,反射角流量计信息网内容图片,反射波速c2。

折射定律:

sinα/sinβ=cl/c2

式中,入射角α,折射角β,c1为第一介质中波速,c2为第二介质中波速。

2.2 超声波流量计的特点

超声波的显著特征是频率高,因而波长短、绕射现象小、方向性好。能够称为射线而定向传播。在液体、固体衰减小、穿透本领大,遇到杂质或分界面就会有显著的反射。超声波传感器就是利用超声波的这些显著特征在许多科学领域及工业生产中得到了广泛的应用。

2.3 超声波换能器

超声波换能器又称为超声波探头,它是实现电能和声能相互转换的一种器件。在超声波检测技术中,把超声波发射出去再接收回来变换成电信号的仪器装置,就是超声波换能器,即探头。用于检测的超声波换能器有多种,如压电型、磁致伸缩型、电磁型、振板型、弹性表面波型等等。检测技术中,主要采用的压电型。

2.4 优缺点简析

优点:

(1)可做非接触式测量;

(2)为无流动阻挠测量,无压力损失;

(3)可测量非导电性液体,对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。

超声波流量计的最大优点就是无需切断管道,即可作无阻挠流量测量,是真正不接触介质的流量仪表。

缺点:

(1)传播时间法只能用于清洁液体和气体;而多普勒法只能用于测量含有定量悬浮颗粒和气泡的液体;

(2)多普勒法测量精度不高。

3 应用

超声波测量是一种通过测定物位来测量容器储量的方法。超声波传感器自上向物料表面发送超声波脉冲,接收从表示反射回来的回波。它测定超声波的传播时间,并推算出与反射表面的距离。

传播时间是超声波传感器与物位之间距离的直观量纲。声波的传播距离是传播时间和声速的乘积。如果已知超声波传感器的位置,那末就能换算出物位(以及储量)。空气中的声速变化范围很大,因此,声波传感器需要进行温度补偿,如果用于空气以外的其他气体,就应该进行相应的标定。

3.1 测量流量

在污水处理厂的流量测量仪表中,按照安装形式分类只有两种形式的流量计:管道式和明渠式。

明渠式超声波流量计是一种在污水处理厂应用很广泛的流量计。因此我们在这里仅就明渠流量计简单说明一下,在明渠中液体的流量与槽上某处的液位具有确定的关系,即

Q=Kbhm

式中,Q为流量,K为流量系数(与明渠形状有关),b为堰口宽度,h为液位高度,m为指数。

对于一定形状的水槽,其中K、b、m的值是一定的,因此只要测量到液位h就可以计算出流量。由此可见,用于明渠流量计量的超声波流量计实际上是测量液位。

3.2 测量液位

超声波液位计由于属于非接触式测量,精度较高,维护量较小,因此在污水处理厂得到了广泛的应用。

(1)超声波液位计测量的工作原理

由图1可见,将超声波发送器/接收器置于液体上方,超声波向下发射,穿过空气介质,在遇到水面时被反射回来,被接收器所接收。由超声波在介质中传播的原理可知,若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定,则超声波在该介质中的传播速度是一个常数。因此, 当测出超声波由发射到遇液面反射被接收所需要的时间,则可换算出超声波通过的路程, 即得到了液位的数据。

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(2)超声波液位计用于污水处理厂格栅的液位差控制

由于城市污水中的大量杂物,在进水泵房前都设有粗隔栅除污机。在沉砂池上都设有细隔栅除污机。污物的堵塞会使隔栅前后的水位差增加,用由双探头超声波液位计来测量该水位差,并与设定值比较。若大于设定值,输出继电器接通,启动除污机,同时,仪表还可输出液位信号、液位差信号进行远传显示,如图2所示。

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(3)超声波液位计的优点

没有运动的部件,安装和维护上都有很大的优越性,它可以选气体、液体或固体作为传声介质,因而有较大的适应性,它不仅能定点和连续测量,而且能方便的进行遥测。

3.3 气体测量

对超声波流量计的研究已有30年的历史, 由于技术条件的限制,以前人们研究的主要是超声波液体流量计。90年代以来,随着科学技术特别是电子技术及传感器技术的发展,超声波气体流量计才日益受到人们的重视,并开始逐步走向实用化、广泛化。

气体用超声波流量计因超声波在固体与气体界面间的传播效率低,管道外夹装换能器难以经管壁传送足够的声能,目前大部分将超声波换能器伸入管道,直接向气体发射和从气体接受声波,气体超声流量计大部分是由超声流量传感器组成,但也有插入式换能器安装于待测管道的结构。

多通道超声波速差法气体流量计采用声速差法。通过精确测量超声波沿气流顺向及逆向传播的声速差,测量各种口径管道内稳态或脉动气流的双向流速、流量。具有测量快速、对气体无流阻、无压力损失、量程宽、测量结果不受气体声速随成分、压力、温度变化的影响、对大管径及脉动气流也能进行正确测量等优点,解决了目前大口径大流量气体缺乏精确、便捷计量手段的难题。

气体流量计已经应用于蒸汽、储存交接和财贸核算、住宅天然气消耗计量等各个领域并显现出其优越的实用性能,得到了各方面的认可,发展前景可观。

3.4 固体应用

非接触式超声波仪器在固体料位测量中具有许多优势,它容易安装维护、成本效率高,并且能通过模拟或数字接口提供快速便捷的料位测量。由于数字信号处理能力的进步和其他技术的进步,当今的超声波装置能分析单个数据点,从而为大多数固体料位,甚至动态条件下的料位测量提供可靠的途径。

固体料位测量是需要数字信号处理与超声波技术相结合的场合。根据观察给定阈值以上的回波来决定料位,应用数字处理技术使超声波接收器能对容器中的料位状态进行快速拍照,并以图片的形式存于寄存器中,称回波曲线。一旦寄存器中得到一个回波曲线,仪器就能对它进行数据处理,去伪存真,给出可靠的料位测量值。

3.5 鉴别液体种类

超声波流量计利用超声波在不同液体中传播速度之间有差别的物性(例如石油声速为1295m/s,水为1388m/s),在测量流量的同时鉴别管道中液体的类别。例如:欧洲在船舶卸油入库常用超声波流量计测量入库流量,同时判断输送的液体是石油还是油船舱的水。

4 前景

英国Cranfield大学研究试图用于航空业的超声波质量流量计,它是传播时间法超声体积流量计的基础上,再利用超声测得第二参量液体阻抗和密度。演算得质量流量。原型样机水油实验表明,流量1800kg/h范围度50:1时可获±1%的精度。

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