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外夹装传播时间法超声流量计应用准则2004年3月(2)

若涂层或衬里与管壁粘结处存在气隙,将阻碍有效超声传输而无法工作。需要准确测量涂层或衬里厚度,要知道它们的传播声速。有些型号仪表因已录写入声速,只要输入材质名称即可。

②管内壁粗糙度   管内壁粗糙度对流量测量带来四方面影响,即粗糙度对流速转换系数K,超声波散射,声波反射次数和估算管壁厚度的影响。

充分发展流速分布受制于管壁粗糙度k,而流速分布影响流速转换系数K,也就影响了流量值。图3所示是一组不同相对粗糙度k/D(D为内径)下的K-Re关系线。从图3中可以看到很粗糙的内壁(如碳钢、铸铁管锈蚀疤疖),可能带来4%的误差。

         图3  内壁粗糙度对转换系数K的影响

管内壁愈粗糙超声散射愈严重,作为通则较粗糙的内壁采用较低的超声波频率。此外粗糙度高在声道布置上还限制发射次数,例如较小管径常采用多次发射(即W法),若相对粗糙度较大、散射严重而无法工作,只能改试一次发射(即V法),甚至放弃发射法改用直射(即Z法)。

要知道管材的超声传播性能。为求取准确换能器安装间距,需要获得超声在管材中的声速和管道尺寸。仪表产品说明书一般附有若干管材的公称声速数据,但实际声速随着成份(如不锈钢1GrB为2990m/s,0Cr17Ni12Mo2为3175m/s)、状态(如铜退火为2325m/s,冷轧为2270m/s)、压力或应力、温度而异。若不能确悉声速,可用超声厚度计在同一材料已知厚度件上测定。

4 流体因素

   ①液体密度和粘度的影响   图1中讨论到不同Re段的系数K,而Re又是流速、液体粘度和密度、管道尺寸的函数,因此Re与粘度、密度有关,应用时要核对是否已经避开过渡区。特别在测量小管径高黏度液体时更应关注。

②液体声速   使用外夹装TTUF在初装调试阶段要由用户输入液体声速,作为设置换能器间隔距离的一个步骤。按照不同仪表设计类型,有些以此声速定义仪表的流量公式,有些从传播时间估算新的声速。后一功能可补偿受液体温度影响引起的变化。要仪表正确地运行,换能器间距和声速的准确性是十分重要的。有时液体的确切声速不清楚,可请制造厂测定。

③气泡和颗粒的影响   气泡使超声散射,同时因液体含气泡后会产生压缩性而影响在液体中的声速。气泡还使仪表的信号衰减和信噪比下降,散射和衰减程度取决于气泡含量、尺寸和分布。某制造厂提供典型能继续工作的气体含量为<10%,然而对气泡尺寸一般未规定。颗粒会散射超声,过去普遍认为颗粒含量应小于1%,但随着检测技术的提高,有些型号仪表含量允许高达≤4%①。低密度颗粒的粒子直径小于 声波长度),对仪表几乎没有影响。

④高衰减液体的局限   通常高粘度液体伴随着高幅度的超声衰减。例如20℃水(运动粘度1.003×10-6m2/s)在1MHz时压力波衰减0.22dB/m,而运动粘度为1.1×10-2m2/s的蓖麻油在1MHz时衰减高达95dB/m。高黏度液体的衰减可能导致妨碍仪表正确运行。这一故障现象通常会被仪表电子部分检测出来。粘度衰减程度通常是声波频率的函数,降低仪表工作频率有时可使之正常工作。

制造厂曾有应用TTUF于某些高黏度液体失败的经历,例如高浓度磷酸,30%以上氢氧化钠,原油、蓖麻油、漆等。

5 操作运行

  ①声波在液体中传送方式和换能器布置   外夹装TTUF的声波在液体中传送方式有三种,即直接投射(Z法)、一次发射(V法)和多次反射(W法)。三种方法中主要使用Z法和V法,较少使用W法。Z法用于大管径,声称比其它方法短,信号损失小,然而正确安装、测量换能器间距和准直较为困难;V法声程较长,可得较佳时间分辨能力,受旋转流影响小,两换能器安装在管道同侧,定位准直和测量间距容易准确;W法用于小管径以增加声程。

在水平管道上换能器最好装在管道截面积“3或9点钟”的位置,这样可避免安装“12或6点钟”位置时液中气泡集源于顶部,颗粒沉于底部流动给测量带来影响。

②换能器定位   定位方法按换能器设计和声波传送方法而定。大部分换能器用如钢带(丝)等锁紧机构定位,安装于测量好的相隔相离位置。制造厂还常提供“校准轨道”,以帮助测量距离和定位。

如置于预定位置却没有信号,有些制造厂建议实施称作“扫描”的操作步骤。移动两换能器相对位置直到找到信号,或信号从弱变强。两换能器开始相距远一些。然后相向渐渐靠近的方法,较之开始相距较近再相背远离扫描为佳。如果通过扫描才有信号,说明管直径、壁厚、材料和液体的参数等可能设定有误,从而原定位置找不到,因为“正确位置”只有一个。

③从安装调试获悉流动状态    流速分布畸变的流动和旋转流很大程度上干扰测量准确度。应按上文所述要求,仪表与上下游扰动源相隔相当距离。不管怎样,采用下述一些方法可获悉大体流动状态,取得最佳效果。

沿着管圆周移动两换能器,核对所测得不同位置的流速,最大流速可能是最接近实际的平均流速,因为在最不对称位置时的平均流速读数最低。这是所有发表实验报告论据所建议的评估方法。从不同位置所测得流速还可估量不对称流速分布的状况和不对称程度。

比较Z法和V法各自测得的流速,如果两者相差很大,表明存在严重横向流动,也就是有旋转流的迹象。应给予注意。

④耦合剂和管表面处理   耦合剂使超声在换能器和管壁接触表面有可靠的传输。长期(固定)安装和短期(移动)安装应用不同的耦合剂。长期应用型耦合剂基本上是阿拉提胶(Araldites)和不加填料的环氧树脂(填料会散射超声)。永久性固定安装耦合剂需定期检查,检查周期按其类型由供应商规定,也可用有诊断功能的TTUF本身检查何时应予调换。

短期应用型耦合剂有硅脂、车轴脂等,要保证它们不干枯,推荐挤出3~4mm厚约5mm直径耦合剂沿着换能器然后压向管壁。

在处置耦合剂前还应作好下述预处理措施和注意事项:

a.安装换能器区的管外壁要始终清洁、无油脂,若有涂层等覆盖层必须去除之,特别对含有纤维和金属网的覆盖层。

处理管壁时要保持管道原有圆周线轮廓。因为要保持换能器表面和管道轴平行,因为1℃角度误差可能改变1%~2%的声程长度。

b.不要应用过量耦合剂,必须十分小心以防止过度铺开和混合耦合剂时进入空气。多粉尘多絮状物环境下要十分注意防止其混入,因粉尘和絮状物会减小耦合作用,且易使耦合剂干枯。

c.如管壁有凹坑,用足量耦合剂填满之,形成完整的声路。若是塑料管,略为打毛表面以保证环氧树脂等耦合剂黏附。

⑤液体温度   液体温度会有几方面的影响,即影响在液体中的声速,液体密度和粘度,以及由这些而影响雷诺数和流速分布。若流程中液体温度预期是有变化的,仪表应具备补偿功能。此外,液体温度也左右着耦合剂的选择。低温和高温还要选用专用换能器,温度增加会降低某些保护压电晶体封装材料的声透射性。温度过高将降低压电晶体的有效性甚至停止工作。有能用于测量-190~+500℃的专用换能器,但标准换能器的典型温度范围为-40~+100℃。有些高温用换能器采取装在经金属耦合体接续的长缓冲棒末端。


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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