科技信息 专题论述 浅谈超声波流量计的安装对测量误差硇影响 重庆钢铁股份有限公司机动处 张家香 一、概述 换能器Ａ 重庆钢铁股份有限公司是一个耗能大户，能源品种多达二十余种， 主要能源流体有高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、天然气、氧气、氮气、压 缩空气等，能源计量问题一直是公司节能降耗降成本的一件大事。公司 是一个大型的老企业，计量设施以前主要采用节流孔板进行流体计量， 由于孔板流量计简单牢固，性能稳定可靠，使用寿命长，价格低廉等优 点被广泛使用。但孔板也存在测量范围窄，测量上限和测量下限之比一 般仅３：ｌ～４：ｌ；压力损失大，对于低压力的自产煤气测量影响较大，低压 力流体测量信号弱，测量误差大，现场安装条件要求较高，安装、清洗必 须停产，维护困难，高流速和脏污介质及腐蚀性介质对孔板冲刷，腐蚀 影响严重，管道内壁流体介质结晶，孑Ｌ板前后积液等因素都将严重影响 其测量精度。 随着企业生产节奏的加快，孔板安装、清洗、维护受到不能停产的 而无法进行，工业流量测量还普遍存在着大管径、大流量测量的困 难，因为孔板流量计随着测量管径的增大会带来制造、运输和安装上的 困难，造价提高、能损加大，于是我们引入了能便于在线安装、维护的插 入式涡街流量计、插入式涡轮流量计、测管流量计、均速管流量计等。 二、测管流量计和均速管流量计的应用 测管流量计、均速管流量计等由于其结构简单、重量轻、安装维护 方便、压力损失小等优点被很多企业使用于大管径流量计量上，其原理 采用皮托静压管的速度面积法测量原理，通过安装在管道内的测量装 置的全压取压孔测出管道中全压取压孔所在点的流体的全压（总压）， 测量装置背流面的静压取压孔测出流量的静压，测量管将全压和静压 得出差压Ａｐ： Ｖ＝ 式中：Ｖ：为测头处流速。ｍ／ｓ △Ｐ：测出的差压：Ｐａ Ｐ：被测介质密度，ｋｇ／ｍ Ｋ：测管仪表的校正系数 再根据测得流速后计算出管道内的流量。 不论是测管流量计或者是均速管流量计都是点流速型，是通过测 量管道截面上一点的流速从而推算出管道内整个截面上的平均流速， 为得到稳定的流态，仪表安装要求有较长的直管段，在现实生产环境中 是很难达到的。而流体在管道中流速的分布受流体介质、温度、粘度、重 度及管道内壁粗糙度等因素影响都将发生变化，同时点流速与插入点 的位置关系也很大，因此安装要求非常高，要通过一点的流速来测算整 个管道内的流速，其测量精度必将是很差的。 三、超声波气体流量计的引入 为避免孔板给计量带来的安装、维护、精度和价格上问题，避免测 管流量计、均速管流量计等带来的直管段要求高、易堵塞和点不能带面 的问题，我们通过超声波计量表得到启示： １、超声波计量仪表的原理 超声波流量计是一种流体流动对超声波束在流体中传播速度的改 变来测量满管液体体积流量的仪表。 ２、超声波流量计的分类 超声波流量计根据对信号检测原理的不同可分为时差式、多普勒 式和声束偏移式流量计，根据超声换能器的配置方式不同可分为单声 道、双声道和多声道；根据换能器供电方式不同，可分为外贴式、管段式 和插入式；插入式超声波流量计可以在不断流的情况下，利用专用工具 在管道上打孔，将换能器插入管道内进行测量。 时差式超声波流量计的原理是当声波沿流体流动方向传播时，其 传播时间比逆向短。 它与流体的流速有关，时差式超声波流量计就是利用声波在流体 中顺流和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流 量的。超声波流量计测量元件安装在管道直径上的两端，测得的是管道 内直径上的平均流速，相对于点流速就较充分的反映了管道内介质的 流动状态，精度相对较高。安装维护方便，因而得以广泛使用。 Ｖ（ｒ）ｆ … Ｊ ．ｒ ：ｌ｝ ： 二二． 管道气体流速分布图 在截面上的流速分布可表示为： Ｖ（ｒ）＝ＫｘＵ ＝１，８×Ｕ Ｋ：为比例因子，它与管道阻力系数、管道内径等有关。 Ｕ：管道截面上的平均流速 ６：修正系数： Ａ图 １、当两换能器分别安装于管壁处进行测量时（Ａ囹），超声波扫描 整个管道截面直径上流体流速情况，但由于管道大超声波信号强度不 够，往往不能实现。 －－－——３７５．－－—— 科技信息 如下图： 专题论述 （３）求两探头的距离ｋ： ａ、Ｌｌ＝２２００—１０×２－９３６．５—９１３．１＝３３０．４＝３３０（ｍｍ） ２、当换能器插入管道的不同位置安装，其测量的结果也是不同的， ｂ、 Ｌ１．、／ ＝４６７．２＝４６７（ｍｍ） （４）求探头处流速修正系数Ｋ： 设：ｒ为管道内测试点距轴中心的距离 Ｒ为管道半径 Ｂ图 Ｃ图 Ｄ图 Ｂ图所示：两换能器在管道内对称安装。 Ｃ图所示：两换能器在管道内不对称安装。 Ｄ图所示：两换能器一个安装在中心点，一个安装在管壁上。 如Ｂ图、ｃ图所示的安装，根据流速分布情况，其超声波扫描的只 是位于管道流速较陕的一段，因此不能充分代表整个截面的流速。２００４ 年７月公司在炼铁厂５＃高炉煤气发生总管（ ２２００）上的安装超声波 流量计由于该管道直径较大无法采用Ａ图和Ｄ图安装，后采用Ｃ图方 式安装，其安装尺寸如Ｅ图。 ｕ为管道截面上的平均流速 ｒ／Ｒ＝（３３０／２）／（２２００—１０×２）／２＝１６５／１０９０ ＝０．１５１４ 根据厂家提供的数据例表查出： 当ｒ／Ｒ为０．１５１时，比例因子Ｋ．为１．１３０５ ｒ／Ｒ为０．１５２时，比例因子Ｋ２为１．１３０３ 求出：Ｋｎｌ５Ｈ＝（Ｋ１一Ｋ２）／（Ｏ．１５２—０．１５１）×（Ｏ．１５２—０．１５１４）＋Ｋ２ ＝０．０００２／０．０ｏ１×０．０００６＋１．１３０３ ＝１．１３０４２ 根据厂家提供的资料轴中心最大流速 为１．１４６４Ｕ Ｋ＝（Ｋｏ＋Ｋｎ ），２＝（１．１４６４＋１．１３０４２）／２ 。上一 ｒ ＝１．１３８４１ （５）求修正值８： ８＝１／Ｋ＝１／１．１３８４１：０．８７８４２ 下．．．引 考虑到仪表出厂时厂家已根据流体介质、压力、温度和直径上的平 均流速与截面上的平均流速进行了修正，其修正值为Ｏ．９５４１，因此修正 值应为： ６’＝８，０．９５４１：Ｏ．９２０６７９ （６）求仪表实际量程： 原量程为３Ｏ万ｍ３／ｈ 铁Ｊ五高炉高炉煤气发生量超声波流量计安装图 Ｅ图 安装完成后，经过运行我们根据５＃高炉入炉风量和以前均速管流 量计正常时的计量数据进行比较，认为超声波气体流量计计量数据偏 大，于是我们根据换能器的安装位置，插入深度进行分析，对流量修正 系数进行重新计算为： 厂家给出量程为３Ｏ万ｍ ，探头总长为２０００ｍｍ，仪表固化的修 正值为０．９５４１，探头直径为５７ｒａｍ： （１）求上游处探头插入深度： ａ、求上游外露部分长度： ９７＋５４＋１８０＋２３５＋１２４—５７／２＝６６１．５（ｍｍ） 修正后的量程为Ｑ／＝３ｏ万Ｘ ８‘＝２７．６２０４万 取整为２７．６万ｍ 由此看出：超声波探头插入深度不同对计量数据影响很大，以满量 程计算误差为（３０—２７．６）／２７．６×１００％＝８．７％。经生产厂家确认，我们对 仪表量程进行修改后，仪表运行正常。 ２００５年９月我们在公司炼铁厂老四高炉煤气发生总管（ １６００）安 装时考虑超声波测量值应能充分代表管道内流体的平均流速，我们建 议厂家一个换能器安装在管壁上，另一个安装在轴心上：如图Ｄ，这样 流体超声波测量值是管道半径上的平均流速，比较真实的反应了管道 内流体的总的流速，投入运行后未作大的修正就运行正常了。 五、结束语 我司近年来在大管道流量计的使用中，我们认为： １、超声波流量计测得的是管道截面上某面上某线段的平均流速，相 对于测点流速的涡街流量计、均速管流量计、测管流量计等测量精度较 高（当然低于测量全截面平均流速的电磁流量计，但电磁流量计不能测 气体流量）。 ２、超声波流量计最好换能器安装在管道直径的两端测管道直径上 的平均流速，次之可将换能器一个安装在管壁上一个安装在管道中心 点，这样测得半径上的平均流速，以上两种安装方式均不能选用时才采 用Ｂ图或ｃ图安装，但安装后应精确测量安装尺寸，仔细计算修正系 数，以保证测量的准确。 ３、不论是测点流速或是测线段流速的仪表，都应保证测量装置前 后直管段要足够长，才能保证流体在管道中的流速分布尽量符合理想 的流速分布。 ｂ、求上游插入部分长度： 探头总长一外露部分长度一壁厚＝插入深度（Ａ １．） Ａ ｔ＝２０００－６６１．５—１０．、／ ＝１３２４．４（ｍｍ） ｃ、求上游插入深度（距管内壁垂直距离） Ｂ』＝＝Ａ ｔ，、／ ＝９３６．５（ｍｍ） （２）求下游探头插入深度： ａ、求下游外露部分长度： １４７＋５３＋１８３＋２２８＋１ １２—５７／２＝６９４．５（ｒａｍ） ｂ、求下游插入部分长度： Ａ Ｆ＝２０００－６９４．５—１Ｏ．、／２＝１２９１．４（ｍｍ） ｃ、求下游插入深度（距管内壁垂直距离） Ｂ Ｆ＝Ａ＿Ｆ，、／ ＝９１３．１ ｒａｍ） （上接第３７４页） ４．４．２外业的数据采集 将流动站ＧＰＳ接收机、数字化测深仪和便携机等连接好后，打开电 源。设置好记录设置、定位仪和测深仪接口、接收机数据格式、测深仪配 置、天线偏差改正及延迟校正后，就可以进行外业数据采集工作。 ４．４＿３数据的后处理 数据后处理是指利用相应配套的数据处理软件对测量数据进行后 期处理，形成所需要的测量成果——水下地形图及其统计分析报告等， 所有测量成果可以通过打印机或绘图机输出。 ５．结束语 在某塌陷区实施的１：５００数字化水下地形测量工程中，采用ＲＴＫ 技术配合测深仪测绘水下地形图是较先进的测量方法，与传统方法相 比成果精度高、作业效率快，节省人力、物力和财力，使成果资料能更好 ．－－——地为经济建设服务。 参考文献 ［１］乔仰文，赵长胜，谢宏全，徐爱功．ＧＰＳ卫星定位原理及其在测绘 中的应用［Ｍ］．北京：教育科学出版社，２０００：１０７ ［２］李毓麟，过静塘，程鹏飞等．ＣＨ８０１６—９５，全球定位系统（ＧＰＳ）测 量型接收机检定规程［Ｓ］北京：中国建筑工业出版社，２ ［３］王百发，牛卓立，郭渭明等ＧＢ ５００２６—２００７，工程测量规范［Ｓ］北 京：中华人民共和国建设部／中华人民共和国国家质量监督检验检疫总 局，２００７：５８ ［４］北京市测绘设计研究院．ｃｊｊ７３—９７，全球定位系统城市测量技术 规程［Ｓ］北京：中国建筑工业出版社，１５ ３７６．．．——
