張 鵬

（上海石化工業(yè)學(xué)校，上海 201512）

0 引言

超聲波技術(shù)所反映出的聲學(xué)特性早已為人們所掌握。近幾年來(lái)，隨著信號(hào)采集和信息處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于超聲波信號(hào)的發(fā)送、接收、處理的各種方法日漸成熟，超聲波技術(shù)逐漸被運(yùn)用到工業(yè)測(cè)量中。由于超聲波流量計(jì)操作簡(jiǎn)便，測(cè)量精度高，技術(shù)上不斷成熟，已經(jīng)開(kāi)始在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。上海石化化工部乙二醇裝置碳酸鉀流量的測(cè)量；聚乙烯醇裝置火炬氣流量的測(cè)量；動(dòng)力裝置工業(yè)循環(huán)水的測(cè)量等都是比較成功的應(yīng)用案例。

1 測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)是基于超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中的傳播速度等于被測(cè)介質(zhì)的平均流速與聲波在靜止介質(zhì)中速度的矢量和的原理而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的流量計(jì)，由換能器和轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，特別適用于大口徑管道的流量測(cè)量，測(cè)量管內(nèi)部無(wú)任何阻力部件或可動(dòng)部件，采用直接動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行測(cè)量，無(wú)任何假定條件，氣體流速與本身成分、密度、溫度等性質(zhì)無(wú)關(guān)。它的測(cè)量方式屬于非接觸式測(cè)量，綜合各方面特點(diǎn)，超聲波流量計(jì)比較適合解決化工物料流量測(cè)量困難的流量測(cè)量?jī)x表。

目前，在化工生產(chǎn)中介質(zhì)流量測(cè)量廣泛應(yīng)用的超聲波流量計(jì)主要包括兩類：多譜勒型超聲波流量計(jì)和時(shí)差型超聲波流量計(jì)。兩者都是利用超聲波的聲學(xué)特性和相關(guān)信息處理手段采集和處理超聲波信號(hào)，但其工作原理和適用場(chǎng)合存在區(qū)別。

1.1 多譜勒型超聲波流量計(jì)

如圖1所示，2個(gè)探頭（超聲發(fā)送器和接收器）在被測(cè)流體流過(guò)的管路兩側(cè)對(duì)稱安裝。超聲信號(hào)發(fā)送器首先發(fā)射超聲信號(hào)（頻率f1），管道內(nèi)液體介質(zhì)中的氣泡或顆粒物會(huì)使超聲信號(hào)的頻率發(fā)生改變，此后超聲信號(hào)接收器會(huì)接收到頻率f2的超聲信號(hào)，在此過(guò)程中超聲信號(hào)頻率發(fā)生了偏移，也就是多普勒效應(yīng)，而f1與f2之間的差值fd被稱為多普勒頻移。經(jīng)過(guò)理論分析得知，多普勒頻移fd與流體的流速V成正比，再結(jié)合管道的橫截面積就可以將流速的測(cè)量轉(zhuǎn)換成被測(cè)流量的大小。

圖1 多譜勒型超聲波流量計(jì)工作原理

1.2 時(shí)差型超聲波流量計(jì)

如圖2所示，2個(gè)換能器通過(guò)測(cè)量順流和逆流傳播的時(shí)間差計(jì)算流體流速，比較適合于大口徑的管道 (直徑＞200 mm)，2個(gè)換能器分布于管道兩側(cè)安裝在上游和下游，并且可以同時(shí)發(fā)射和接收超聲波信號(hào)。由于流體流速的作用，順流換能器發(fā)射的超聲波的聲速增加，逆流換能器發(fā)射的超聲波的聲速減小，這樣就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)時(shí)間差（與流體流速成正比），對(duì)時(shí)間差的測(cè)量轉(zhuǎn)換成流體流速進(jìn)而得到被測(cè)流體的流量。

2 超聲波流量計(jì)在化工生產(chǎn)裝置上的應(yīng)用

2.1 實(shí)例一

圖2 時(shí)差型超聲波流量計(jì)工作原理

上海石化化工部乙二醇裝置FT203(碳酸鉀)的流量測(cè)量原先采用的是差壓式流量計(jì)（孔板流量計(jì)）。使用過(guò)程中由于物料（碳酸鉀）本身特性，導(dǎo)壓管伴熱不均勻時(shí)，經(jīng)常會(huì)使碳酸鉀結(jié)晶體堵塞導(dǎo)壓管造成測(cè)量不準(zhǔn)確，給生產(chǎn)控制帶來(lái)很大的影響。在技術(shù)改進(jìn)中，希望采用其他類型的流量計(jì)。通過(guò)將超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)在壓損、測(cè)量適用范圍、對(duì)測(cè)量介質(zhì)的特性、維修維護(hù)工作量、測(cè)量準(zhǔn)確度、性價(jià)比等各方面比較，鑒于超聲波流量計(jì)在以上各方面具有優(yōu)勢(shì)，改用多普勒型超聲波流量計(jì)對(duì)碳酸鉀物料流量進(jìn)行測(cè)量，使用一段時(shí)間后，解決了之前存在的測(cè)量不穩(wěn)定問(wèn)題，并且提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度，同時(shí)降低了儀表的維護(hù)工作量，取得了非常好的改進(jìn)效果。超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)技術(shù)性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)技術(shù)性能對(duì)比

2.2 實(shí)例二

上海石化聚乙烯醇裝置的火炬氣流量測(cè)量一直是一個(gè)比較難解決的問(wèn)題，火炬氣管道口徑1200 mm，同時(shí)流速波動(dòng)大，最小流速0.5 m/s，最大流速可達(dá)60 m/s，而且管道內(nèi)物料的組分變化大，因此對(duì)于流量的測(cè)量使用常用方法比較困難。為了解決這一難題，嘗試選用時(shí)差型超聲波流量計(jì)測(cè)量火炬氣流量，通過(guò)一段時(shí)間的實(shí)踐效果相當(dāng)理想，不但準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了火炬氣的流量測(cè)量，還精確地控制了火炬頂端蒸汽的注入量，同時(shí)降低了能耗，使企業(yè)生產(chǎn)更符合環(huán)保要求。該測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量管、傳感器固定件、超聲波傳感器和信號(hào)處理電路組成。其中測(cè)量管要求光滑并且具有一定長(zhǎng)度，傳感器固定件是保證生產(chǎn)進(jìn)行過(guò)程中維修更換方便，超聲波傳感器配備壓力監(jiān)測(cè)和溫差補(bǔ)償功能，信號(hào)處理模塊可獲得瞬時(shí)流速，體積流量，質(zhì)量流量，累積流量等數(shù)據(jù)。

在有氣體流動(dòng)的管道中，超聲順流傳播的速度比逆流時(shí)快，管道中氣體的流速越快，超聲順流和逆流的時(shí)間差就越大。超聲波在傳播過(guò)程中，由于物料組分的變化或者紊流的作用，聲阻抗在不同的條件下會(huì)產(chǎn)生不同的變化，因此需要選擇不同的聲波信號(hào)調(diào)制模式。在氣體多相流的測(cè)量條件下，可以選擇相位調(diào)制方式為主幅值調(diào)制方式為輔的信號(hào)處理方法。上游換能器發(fā)射的連續(xù)超聲波穿過(guò)被測(cè)流體到達(dá)相應(yīng)的安裝在下游的接受超聲信號(hào)的換能器，由此形成信號(hào)通路。每一個(gè)換能器關(guān)聯(lián)的信號(hào)都包含特定的擾動(dòng)標(biāo)記，接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)互相關(guān)聯(lián)的波峰值，該值反映了擾動(dòng)標(biāo)記通過(guò)發(fā)射和接受信號(hào)通路的時(shí)間。而在安裝時(shí)就固定好2個(gè)換能器的間距，就可以用間距除以擾動(dòng)標(biāo)記通過(guò)發(fā)射和接收通路之間的時(shí)間計(jì)算得到流速的大小。

2.3 實(shí)例三

上海石化動(dòng)力裝置的工業(yè)循環(huán)水工況屬于大管徑大流量，管道口徑達(dá)1000 mm，通常測(cè)量循環(huán)水的流量計(jì)大多安裝在水井中，工作環(huán)境潮濕，有時(shí)會(huì)被水淹沒(méi)覆蓋。因此，考慮采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。超聲波流量計(jì)可采用管外安裝、無(wú)需將管道截?cái)嗷蛄黧w停流，不會(huì)對(duì)管道內(nèi)流體的流動(dòng)產(chǎn)生阻礙，并且介質(zhì)的導(dǎo)電性和腐蝕性對(duì)其測(cè)量不產(chǎn)生影響，造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無(wú)關(guān)，因此口徑越大其價(jià)格優(yōu)勢(shì)越明顯。顯示上可提供瞬時(shí)流速、瞬時(shí)流量、體積流量、質(zhì)量流量、累計(jì)時(shí)間、累計(jì)流量等多方面數(shù)據(jù)，并且具有自診斷功能，可對(duì)流體中的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行分析。實(shí)踐證明，選用超聲波流量計(jì)后提高了流量測(cè)量的準(zhǔn)確度，為工藝操作提供準(zhǔn)確的保證，同時(shí)也減少了維護(hù)工作量。

3 超聲波流量計(jì)的安裝調(diào)試與維護(hù)保養(yǎng)

3.1 安裝調(diào)試

（1）安裝方法。超聲波流量計(jì)一般由換能器及其安裝組件、信號(hào)處理單元和流量計(jì)表體三大部分組成。換能器部分實(shí)現(xiàn)電能和超聲波之間的形式轉(zhuǎn)換，比較常用的是現(xiàn)場(chǎng)插入式、外夾式兩種安裝方法，其中現(xiàn)場(chǎng)插入式換能器直接與被測(cè)流體接觸，外夾式換能器安裝在管道壁外側(cè)，同時(shí)安裝換能器處的管道可做表體使用。其次是測(cè)量點(diǎn)的選擇，一般要求需要有一定長(zhǎng)度的直管段（上游10D，下游5D，D為管道直徑）以實(shí)現(xiàn)流體流動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定，減小測(cè)量誤差。插入式換能器的安裝可以用鉆孔工具在不停產(chǎn)狀態(tài)下將傳感器（探頭）插入管路中，外夾式換能器的安裝則需要先將安裝位置處打磨光滑，然后使用粘合劑將換能器粘貼于管道外壁安裝位置，最后再夾緊固定。另外，超聲波流量計(jì)傳感器（探頭）的安裝方式常用的有兩種：“V”方式安裝和“Z”方式安裝。

（2）調(diào)試方法。線路連接完后，先在探頭內(nèi)部注入硅膠（靜置0.5 h以上），然后將探頭的引線端向外將其固定于管道外壁。調(diào)試過(guò)程中，可觀察信號(hào)輸出強(qiáng)度、優(yōu)良度、傳輸時(shí)間比等參數(shù)是否正常（信號(hào)強(qiáng)度≥6.5 dB，信號(hào)優(yōu)良度：低峰值（8～16）dB，高峰值（25～75）dB，傳輸時(shí)間比100左右）。如有異常，可微調(diào)探頭位置，也可以微調(diào)上下游2個(gè)換能器的安裝位置、安裝間距、管道貼合度，通過(guò)各方面的調(diào)整使信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)。

如果被測(cè)管道有保溫層，要刮掉一部分，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)管道表面盡量光亮，粗燥的用砂紙打磨。測(cè)量過(guò)程中，如果讀數(shù)變化很大，可采用連續(xù)讀數(shù)取平均值的方法來(lái)讀取流量值。

3.2 使用維護(hù)

（1）定期檢查換能器是否松動(dòng)，與管道之間的粘合是否有效。

（2）定期清理探頭上的水垢和沉積的雜質(zhì)。

（3）定期檢查流量計(jì)與管道之間的法蘭連接是否完好，并適時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)溫度與濕度在一定合理范圍內(nèi)，避免對(duì)電子電路的不良影響。

3.3 常見(jiàn)故障原因分析及處理方法

3.3.1 流速數(shù)據(jù)顯示劇烈跳動(dòng)

（1）故障現(xiàn)象。流速數(shù)據(jù)顯示劇烈跳動(dòng)。

（2）原因分析。探頭安裝位置可能存在局部振動(dòng)；泵、調(diào)節(jié)閥、孔板、渦輪或部分關(guān)閉的閥門狀態(tài)不穩(wěn)定造成局部紊流；流量計(jì)輸入管徑與管道內(nèi)徑不匹配；

（3）解決方法。更改探頭安裝位置，例如將探頭安裝在遠(yuǎn)離振動(dòng)源的地方；將探頭安裝在遠(yuǎn)離上述部件的地方；修改管徑，使之匹配。

3.3.2 數(shù)據(jù)顯示錯(cuò)誤

（1）故障現(xiàn)象。數(shù)據(jù)顯示錯(cuò)誤。

（2）原因分析。水平管道中的沉積物或氣泡等對(duì)超聲波信號(hào)傳輸產(chǎn)生了干擾。

（3）解決方法。更換探頭安裝位置，可將探頭安裝在管道兩側(cè)。

3.3.3 探頭故障報(bào)警

（1）故障現(xiàn)象。探頭故障報(bào)警。

（2）原因分析?？赡苁枪艿乐须s質(zhì)或沉積物較多。

（3）解決方法。建議定期對(duì)探頭進(jìn)行清理和保養(yǎng)。

3.3.4 探頭完好，流速緩慢

（1）故障現(xiàn)象。探頭完好無(wú)損，流速緩慢。

（2）原因分析。管道使用時(shí)間長(zhǎng)，結(jié)垢嚴(yán)重；管道面凹凸不平、有管襯式結(jié)垢；外夾式探頭與工件之間有貼合不緊密；傳感器安裝纖維玻璃的管道上。

（3）解決方法。清除管道內(nèi)部污垢；將管道磨平或選擇內(nèi)表面光滑管道材料內(nèi)襯的地方安裝探頭；用耦合劑或耦合片排除探頭與工件表面之間的空氣；將玻璃纖維除去。

3.3.5 流量計(jì)讀數(shù)突然消失

（1）故障現(xiàn)象。流量計(jì)讀數(shù)突然消失。

（2）原因分析。被測(cè)液體介質(zhì)溫度過(guò)高氣化或者超過(guò)其溫度測(cè)量上限；傳感器的耦合劑老化失效或消耗殆盡；周圍環(huán)境中出現(xiàn)高頻干擾信號(hào)。

（3）解決方法。管道流體降溫；重新涂耦合劑；遠(yuǎn)離變頻器或高電壓電纜場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

超聲波流量計(jì)作為一種新型計(jì)量?jī)x表，在適合的應(yīng)用場(chǎng)合正確使用，并且在安裝、使用和維護(hù)方面注意一些基本的技術(shù)問(wèn)題，就可以達(dá)到準(zhǔn)確快速測(cè)量的目的，為化工生產(chǎn)裝置自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，保證生產(chǎn)安全穩(wěn)定地進(jìn)行。