摘要：闡述了電磁流量計的工作原理和在傳感器 (探頭) 安裝、使用過程中應(yīng)注意的問題, 以及測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響因素及彌補(bǔ)措施。
 
    1 使用現(xiàn)狀
    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 流量的檢測已經(jīng)很少采用圍堰法進(jìn)行。與之相比, 電磁流量計有檢測精度高、便于攜帶、檢測快速等優(yōu)點。目前采用電磁流量計對管路中流體流量的測量已經(jīng)成為相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)廣泛使用的方法。
    2 電磁流量計的使用原理
    根據(jù)對信號檢測的原理電磁流量計可分為傳播速度差法 (直接時差法、時差法、相位差法和頻差法) 、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法及噪聲法等。目前, 最廣泛采用的是超聲波傳播時間差法。其工作原理是:超聲波在流體中傳播時其傳播速度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, 從而換算出流量來。當(dāng)超聲波在流體中傳播時順溜傳播的超聲波傳播速度會增大, 逆流傳播的超聲波傳播速度會減小, 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值關(guān)系求出流速從而換算出流量。

圖1 時差法電磁流量計測量原理圖

 
    如圖1所示, 有兩個超聲波換能器, 兩個換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并保持一定距離, 管線的內(nèi)直徑為D, 超聲筆行走的路徑長度為L, 超聲波順流流速為tu, 逆流流速為td, 超聲波的傳播方向與流體的流動方向夾角為θ。

    式中:c-超聲波在非流動介質(zhì)中的聲速;V-流體介質(zhì)的流動速度。
(2) - (1) 得

    式中, X-兩個換能器在管線方向上的間距。
    假設(shè)流體的流速與超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個小量, 即:

 
    3 流量測定準(zhǔn)確性的影響因素
    3.1 探頭的耦合性能
    3.1.1 表面的粗糙度
    超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時, 在介質(zhì)分界面上將會發(fā)生反射和透射, 以及散射。當(dāng)反射面絕對光滑時我們認(rèn)為散射效應(yīng)為零, 在比較光滑 (Ra<6.3) 時其表面散射效應(yīng)非常小可近似認(rèn)為是零。過大的粗糙度將會使探頭與管壁表面的耦合界面處發(fā)生較嚴(yán)重的散射現(xiàn)象, 使超聲波回波波形發(fā)生畸變, 從而大量的損耗超聲能量, 降低傳感器 (探頭) 接收到能量的強(qiáng)度, 影響測量效果。
    3.1.2 探頭晶片與管道外壁的貼合情況
    傳感器 (探頭) 的晶片安裝部位為水平面, 而管道為具有一定曲率的近平面, 這必將導(dǎo)致一部分的超聲波自晶片發(fā)出后無法有效的通過耦合劑進(jìn)入管道內(nèi)壁引起能量損耗, 進(jìn)而影響測量效果。實際耦合劑的聲阻抗在1.5-2.5×106kg/m2, 而鋼聲阻抗為45×106kg/m2, 所以靠耦合劑是很難補(bǔ)償曲面和粗糙表面對探測靈敏度的影響。為此從一定程度上說, 晶面與管道壁圓弧處貼合情況越好, 就會有越多的超聲波導(dǎo)入管道壁中用于測量, 其信號強(qiáng)度也就越高。
    3.2 管道內(nèi)壁水垢
    水在長期的管道輸送過程中, 在輸水管道內(nèi)壁會形成一層堅硬的沉淀物———水垢。通常將水垢按其主要化學(xué)成分分為四類:碳酸鹽水垢、硅酸鹽水垢、硫酸鹽水垢和混合水垢等, 其對于超聲波的傳波有極大的吸收與阻礙作用。超聲波在通過該類物質(zhì)時, 受其組織結(jié)構(gòu)影響, 在傳導(dǎo)過程中發(fā)生極大地吸收衰減及擴(kuò)散衰減從而在很大程度上降低了傳感器 (探頭) 所接收到的超聲波能量, 使得所接收到的信號難以滿足設(shè)備檢測的需要。
    3.3 安裝位置的影響
    流體在管路中流動時因受到管路變徑、管路方向改變等因素影響, 管路中流體流速會在變截面處和流體運動方向發(fā)生改變處以及靠近這兩個部位的一定距離范圍內(nèi)呈現(xiàn)不均衡狀態(tài) (即這些區(qū)域水流流速不穩(wěn)定) , 從而影響測量結(jié)果的可靠性, 導(dǎo)致測量結(jié)果失真。
    3.4 管道壁后的影響
    管道的薄厚對于流量的測量有很大的影響, 依據(jù)設(shè)備使用說明書, 當(dāng)內(nèi)徑存在1%的差異時, 測量值約有3%的誤差。因此對管道壁厚, 輸入準(zhǔn)確的厚度測量參數(shù)在進(jìn)行流量測量時就尤為重要。
    3.5 儀器設(shè)備自身的影響
    儀器顯示值與真值之間必定存在一定的誤差, 很難保證所有的示數(shù)在顯示范圍內(nèi)能保持的一致性, 所以在具體的檢測檢驗過程中為了達(dá)到良好的檢測檢驗效果, 應(yīng)對設(shè)備示數(shù)范圍進(jìn)行逐一校準(zhǔn), 在設(shè)備制作數(shù)值校準(zhǔn)曲線, 以使設(shè)備在檢測過程中能夠更加精確地顯示所測量的數(shù)據(jù), 同時為了更加接近真值可以進(jìn)行多次測量取平均值已達(dá)到更好的測量效果。
    4 電磁流量計安裝方法及適用范圍
    電磁流量計按照探頭的安裝方式分為V法、Z法和W法等。
    4.1 V法
    一般情況下, V法標(biāo)準(zhǔn)的安裝方法, 使用方便, 測量準(zhǔn)確。可測管徑范圍為25mm~400mm的管道上使用。安裝傳感器 (探頭) 時應(yīng)注意上下游兩傳感器 (探頭) 應(yīng)水平對齊, 使其中心連線與輸水管道軸線水平一致。

圖2 V法安裝示意圖

 
    4.2 Z法
    Z法安裝一般適用于輸水管道粗、水質(zhì)不很潔凈或管道內(nèi)壁有水垢而使V法安裝信號是真的情況。一般來說, 管道內(nèi)徑在300mm以上時選用Z法安裝比較適合, Z法安裝適合的管道內(nèi)徑100mm~600mm。安裝傳感器 (探頭) 時應(yīng)注意上下游兩傳感器 (探頭) 與輸水管軸線在同一平面內(nèi), 且上游傳感器 (探頭) 在低位, 下游傳感器 (探頭) 在高位。

圖3 Z法安裝示意圖

 
    4.3 W法
    W法通過延長超聲波傳輸距離的辦法來提高小管測量精度, 適用于測量管道內(nèi)徑在50mm以下的小管。其安裝方法參照V法進(jìn)行。
    4.4 建議采取的探頭安裝部位

    探頭安裝部位安裝圖

 
    在流量測量時, 為避免管道改變處的流速不穩(wěn)定, 測點應(yīng)選擇在距上游 (來水方向) 10倍管徑長度、距下游 (去水方向) 5倍管徑長度的均勻直管段 (即上、下閥門在該長度以外, 或水管的拐點在該長度以外) , 測量時管路中應(yīng)充滿水。安裝時建議采用如上圖模式。

    5 小結(jié)
    在流量測量中為了高效、準(zhǔn)確地對流量進(jìn)行測量, 在測量前應(yīng)根據(jù)相關(guān)要求及相關(guān)規(guī)定制定測量方案。測量時應(yīng)首先選擇測點位置, 并且對測點處管路進(jìn)行打磨以降低表面粗糙帶來聲能損耗, 然后利用超聲波測厚儀測量測點處的管道壁厚, 同時應(yīng)選擇合適的探頭和安裝方式, 準(zhǔn)確的安裝探頭, 調(diào)節(jié)儀器信號值, 從而使儀器達(dá)到最好的檢測狀態(tài)進(jìn)而實現(xiàn)最佳測量效果。