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            超聲波流量計運用流體力學原理修正流量的計算方法解析

            作者: 來源: 發布時間:2018-03-08 10:47:00

                超聲波流量計的組成:超聲波流量計實物圖如圖所示,由圖可知超聲波流量計主要由直管段、流量傳感器、溫度傳感器、計算儀等部分組成。


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            圖2.1超聲波流量計實物圖

                流量傳感器如圖中的1,2所1.;被安裝在管道的一側。1, 2是一對配對一的超聲波換能器,換能器是用來發射和接收超聲波信號的,是影響超聲波流量計測量精度的重要部分。
                3,4是對Pt1000的鉑電阻溫度傳感器,金屬鉑(Pt)的電阻值會隨溫度變化而變化,并且具有很好的重現性和穩定性。典型實驗數據為:在400℃時持續300小時,0°C時的zui大溫度漂移為0.020C。在-200~0℃的溫度范圍內,鉑電阻的阻值與溫度的關系式為.
              R, = R [1+At+Bt'+C(r一100)t3](2.1)在0-850℃的溫度范圍內,鉑電阻的阻值與溫度的關系式為二R,=R} (I+At+Bt')(2.2)式中:R,—在t°C時的電阻值      Ro—在0°C時的電阻值按IEC751國際標準,溫度系數TCR=0.003 851的系數值如下表所示。


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            表2.1溫度系數TCR=0.003851的系數值


                本文選用的溫度傳感器采用不銹鋼外殼封裝,起到保護溫度傳感器感溫元件的作用,使其不與被測介質直接接觸,避免或減少有害介質的侵蝕,火焰和氣流的沖刷和輻射,以及機械損傷,同時還起著固定和支撐傳感器感溫元件的作用。
               5是電子模塊,是超聲波流量計的核心。通過單片機和其外圍電子線路模塊控制流量溫度等數據的采集、運算、處理和顯示。

            換能器安裝方式的分類:
               超聲波流量計的流量測量就是通過超聲波換能器發射和接收超聲波信號實現的。為了適應不同管道材料、管徑大小等超聲波換能器的安裝位置有:外夾式、插入式和管段式三種。
             

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            圖2.2二種超聲波流量計


                外夾式就是將一對換能器夾在管壁上,具有即貼即用,安裝時不斷流的優點。
                插入式超聲波流量計由轉化器和一對插入式傳感器組成,插入式傳感器由定位底座、球閥、超聲波傳感器組成,測量時只需將換能器插入到管道內,就完成了安裝,而且這種測量方式超聲波信號只經過被測介質,所以測量不受管質材料的影響。
                管段式超聲波流量計是將超聲波換能器和測量管道組成一體。其測量精度高,避免了因管道材質疏、導聲不良、銹蝕嚴重、襯里與管道內有間隙等原因導致的超聲波信號衰減嚴重的問題,但是這樣測量方式換能器長期浸泡在流體中會相應縮短了超聲波換能器的使用壽命并且也不易于換能器的更換。
                無論是外夾式、插入式還是管段式超聲波流量計,兩個換能器探頭的安裝方式都有多種多樣,可以分為對射式和反射式兩種。反射式又分為:V法、N法、W法和U法反射。
             

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            圖2.3對射式安裝剖面圖


                對射法安裝換能器時,超聲波信號是直接從發射端傳播到接收端,中間沒有經過反射和折射,從而信號的衰減小。對射式安裝可以測量50~6000的管徑。


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            圖2.4反射式安裝剖面圖


                V法安裝如圖2.4的(a)所示,V法安裝使用方便、測量可靠。V法安裝可以測量25400~的管徑范圍。安裝超聲波換能器時,要注意兩超聲波換能器要水平對齊,就是兩換能器的中心線與管道軸線平行。    圖偽)所示的U法安裝,兩換能器安裝在管道的同側,超聲波信號從發射端經過兩個反射鏡的反射三次聲程到達接收端。由于超聲波信號要多次反射,為了保證接收端回波信號的強度所以發波的驅動電壓要達到一定的要求。U法安裝通常適合管徑比較小的流量計。
               N法安裝,超聲波信號穿過流體三次兩次反射到達接收端,N法安裝延長了聲程,從而提高了測量準確性。同理,W法安裝也是通過延長聲程提高小流量時的測量精度。

            時差法超聲波流量計的測量原理:
            超聲波流量計的物理性參數:
                1.流量    流量的測量對象一般是指流經管道或溝渠的流體,所以通常講的流量指的是單位時間內通過管道或溝渠某一截面的流動介質的量,可以用體積流量或質量流量來表示。本文的流量用體積流量表征,用Q表示,常用的單位有cm3/s,L/min,或m3zol。
               將流經管道橫截面的流體分為無窮多個微小單元,其中某一微小截面的面積用ds表示,流經這一微小截面的流體的流速為v,那么在單位時間內流經這一微小截面的體積流量dQ可以表示為:                          aQ=v" as                              (23)    所以,根據微積分知識知單位時間內流體通過管道截面的流量Q可通過下式而求出。
                             Q一腳(2:4)    若流體勻速流動,則單位時間內通過管道截面的流量Q可用下式表示:                          Q=v.S                               (2.5)
                2.雷諾數:
               雷諾數Re是流體流動狀態的一個判斷依據。管道中流體的流動可以分為層流和紊流兩種狀態,層流狀態是指管內流體只有軸向的運動,而無垂直主流方向的橫向運動;紊流狀態是指管內流體質點既有軸向的運動,也有橫向的運動。流體的流動狀態不僅與管內平均流速有關,還與流體動力粘度和管徑有關。一般一認為R}, = 2000可作為流體從層流狀態到紊流狀態的臨界判斷。當尺< 2000時為層流狀態,當R > 2000時為紊流狀態。雷諾數R。的計算公式見下式:


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                流體的動力粘度是表示流體內摩擦力的一個參數。不同流體的動力粘度也不同,動力粘度會受到溫度和壓力的影響,溫度升高時,液體動力粘度降低,而氣體動力粘度則升高。一般,液體的動力粘度,只考慮溫度對其的影響,僅在壓力很高的情況下刁‘考慮壓力對動力粘度的影響。密度也與流體溫度存在一定的關系,當流體是水時,密度會隨著水溫的升高而降低。
                3.超聲波的聲速 :
               本文采用超聲波傳播的時差法原理對流量進行測量,那么超聲波的聲速C的準確性對超聲波流量計流量測量的精度有很大的影啊fzzl。超聲波在各種介質中的傳播速度各異,溫度對超聲波聲速的大小也有很大的影響,當超聲波在水中傳播時,不同溫度對應的不同超聲波聲速如卜圖中的散點所示,再用Matl ab根據幾次函數關系擬合出的超聲波聲速C與溫度t的函數關系如圖2.5曲線所示。


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            圖2.5超聲波聲速與溫度的關系


              擬合出的超聲波聲速c與溫度t的函數關系可以用(2.7)式表示。C=1409+4.052。t一2.77 x 10-2 .t2(2.7)
            2.3.2、對射式時差法超聲波流量計的測量原理:
               超聲波信號在流體中傳播時載有流體的流速信息,通過檢測穿過流體的超聲波信號就可以檢測出流體的流速,從而轉換成流量。本課題利用超聲波流量測量方法‘護的時差法來測量流量,采用對射法將超聲波換能器管段式安裝在測量管道的兩側。    對射式超聲波流量計流量檢測的原理結構圖如圖2.6所示,換能器1, 2被安裝在管道上下游的兩側,檢測流量時,在控制電路作用下:換能器1處于發射狀態,換能器2禁止發射處于接收狀態,這時換能器1向換能器2發射超聲波信號,換能器2接收到上游超聲波信號的同時,將換能器2置成發射狀態,換能器1處于接收狀態,換能器2向換能器1發射超聲波信號,系統會記錄下超聲波從下游換能器1到下游換能器2的傳播時間幾和下游換能器2到丘游換能器1的傳播!{寸問不*,山于水流速度的影響,T,i和T,,不相等,存在個時間差△T,zui終通過△T計算出流量。


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            圖2.6時差法超聲波熱量表原理圖


                設流體流速度為V,超聲波傳播速度為C,超聲波的入射角為e,管道直徑為D,換能器1, 2前端面的距離為L  S為管道的橫截面積。則超聲波信號從上游換能器1到下游換能器2的順流傳播時間瑞,可以表示為:  LC+TCOSB(2.8)超聲波信號從下游換能器2到上游換能器1的逆流傳播時間T表示為:


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            時差法計算公式


            線速度與面速度之差對流量測量的影響:
               由2.3.2節中介紹的超聲波流量計的時差法流量測量原理知,由時差法導出的超聲波流量計的流量計算公式中,所測量和計算的流體流速均是指沿著超聲波傳播方向上的線平均速度。而體積流量是指單位時間內流經封閉管道有效橫截面的流體的體積量;也就是說流量計算公式中的流體流速應是流體流經的有效截面上的面平均速度。因而利用公式(2.13)計算出的流量是不能正確反映實際流量,這兩者之間必然存在一定的誤差。因此,必須用一定的方法對這一誤差進行補償,對測量的結果進行修正。
               在理想條件即管道管壁光滑和有足夠長的直管段下,該誤差可以用流體力學原理修正,在流體力學中[24],線平均速V與面平均速度玲的關系可以用下式表示:


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                而K與管道中水流速分布規律有關,層流和紊流是管內流體流動的兩種狀態。在層流狀態下,流量修正系數K是一個常數;(2.15)4一3    一一  K在紊流狀態時,利用了尼庫拉茲(Nikurdse)的摩擦系數得修正系數為(2s1.K=1+0.01寸6.25+431Re-0}z3}(2.16)    在流體的流動狀態介于層流和紊流之間時,用布拉修斯(Blasius )摩擦系數加以修正,修正系數K為:K=1一0,01 (2.17)    上述的流體處于不同流動狀態下的流量修正系數K的計算公式都是在管壁光滑的圓管段和流量計安裝時前后必須保證有足夠長的直管段的理想條件下推導出的。但是在實際應用中,由于制造工藝和安裝條件等的限制,導致實際環境與理想條件相差甚遠,再加上修正公式計算繁瑣,對流量計的運算處理單元要求高,因此在實際應用中,針對由于線速度與面速度之差引起的流量誤差的補償方法,在下面的4.6章節中將介紹實際應中的流量修正方法。


            本章小結:
               本章首先概述了超聲波流量計主要組成部分,并對各個組成部分的功能及換能器的安裝方式進行了介紹,對超聲波流量計用到的物理性參數進行簡要介紹后詳細敘述了時差法超聲波流量計流量測量的原理;還對時差法流量測量時引入的誤差作了簡要的分析,并介紹了理想條件下運用流體力學原理修正流量的計算方法。

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