多普勒超声波流量计是基于声学多普勒原理而发展的一类超声流量计,它可实现非接触测量,无附加压损,适用能力很强,在大口径流量测量时,其性价比很高,且重复性较好。但其测量精度受发射频率、流体中反射颗粒大小与性质、粒子分布等因素变化的影响;其信号测量也较难,可以说是从噪声的海洋中提取流量信号,因此除了要注意其选型问题,还要特别注意解决应用中的问题。
在实际应用中常见应用问题多种多样:
A. 关于净化液体的测量
传统型多普勒流量计要求被测对象须带反射粒子(粒子大于100μm,粒量高于75%),改进型仪表则可测带极微量反射体的液体或净化液体,它主要是利用压力界面反射超声波,产生微弱且频带宽的多普勒信号,并经特殊的视频放大器进行数字信号处理(DSP)。由于压力界面出现在液体通过弯头或T形头时,流速分布呈急剧扰动,而在直管部位几乎趋于稳定。因此,一定要注意探头安装位置,弯头后10D以外界面消失,弯头后(1 ~2)D处界面流速不稳定;弯头后(4—5)D处是测量区域,界面流速近似等于流体流速。在特殊情况下,还可用注入空气或氮气的方法。
B. 适用范围及测点选择
多普勒流量计宜用于测量含有固体颗粒或气泡等反射体或有一定湍流度的液体。比较简单的多普勒流量计只宜用于反射体较多、流速较高(> lm/s)的液体,但对浓介质或泥浆的测量也有问题;某些改进型仪表却可测量较洁净的或流速较低的介质。可以测介质温度一般在150℃以内;适用管径视产品类型不同而异,一般为50 ~ 2000mm,也有的可达7. 6m;可适用的管材主要有钢、不锈钢、聚氯乙烯、玻璃纤维增强塑料、水泥衬里或铸铁、聚丙乙烯等均质材料;混凝土管不宜用,测量洁净液体*好选择均匀同质、无内衬的管道。
选点时要考虑直管段长度,尽可能远离泵、阀门、变径处等流动紊乱的地方,应避开其它超声波干扰源或非满管的地方。如只能安装在管道变径处时,则应装在管径较小的一侧,并使传感器的声束(一般向着其电缆方向发射)向着噪声要离去的方向。此外,还要注意管内壁情况,不得有松软的沉积物,以免超声波衰减严重;结垢也不能太厚,这不仅影响信号强度、发射角,更影响实际过流面积。而且由机械设备如泵类引起的过量噪声和振动、镀层过厚的管道,脉动流量、非牛顿型流体及某些烃类为主的流量测量,目前也存在一些问题。
C. 管内流速分布的影响
为了使多普勒流量计测得的频移能代表平均流速,以提高流量测量准确性,除应注意安装问题外,还要注意流速分布的影响:对流速低的层流,测量值约为真实流量的4/ 3,如流动处于层流一一紊流之间(过渡范围)流动不稳定,不宜测量;紊流时,流速分布因雷诺数而异,必要时可手工计算,引入流速修正系数。采用多普勒法且R< 10^7时,
Kd=1+0.01√56.26+3886Re^-0.237
也可以用简单的实验公式:
Kd=1.383-0.038lgRe
此外,对含有比重较大固体颗粒的流体,因粒子运动产生之后,故测得的流速可能稍偏低;垂直安装时尤其是断续输送情况下,要注意流体突然静止后仍有微小流量显示,因管中固体颗粒会自然下沉,而气泡将缓慢上浮。
D. 安装的若干问题
超声波流量计实测精度与换能器安装精度也密切相关。现场安装时,换能器可安装在水平或垂直管道上,但要注意在水平管上测量时,探头应与管道平行放置,而且要避免安放在管道顶部或底部,因水平管中气泡向顶部集中,而固体颗粒向底部沉积。在选好的测点处,应将被测管外壁的铁锈或漆皮、污垢打磨干净,抹洗干净;有保温层的应先**保温层;打磨面积应大于换能器工作面;换能器与管壁间应填实耦合剂(可用黄油),并不得留有气泡或其它固体颗粒,否则影响测量效果。若管道内壁存在锈蚀,结垢又不能断流清理,应在管外用锤子敲打以震掉结垢锈层,减小信号衰减。若管道温度较高(>40 ℃)时,普通黄油易溶化而影响仪表工作,此时可在黄油中掺入200 ~ 300目的二硫化铂粉末作藕合剂或用高温黄油,但不能用环氧树脂等粘接换能器,运行过程中又要注意不让涂层被雨水等冲掉。
多普勒超声波流量计检测元件置于管外实现非接触测量固然有很多优点,但由于被测流体在性质、浓度及流场分布等方面不尽相同,有些管道又非标准,仪表的某些系数如非线性误差修正系数主要是根据循环水实测数据,再按声学、流体力学理论推导出来的,与实际略有差别,所以测量误差来源也较复杂。因此,尚难对所有测量均达到标称精度,这更要求应用过程中注意针对不同被测对象和条件做好选型、安装、修正等一系列工作,才能达到可靠测量之目的。