0 引言

      外夾裝超聲流量計(jì)只要在既設(shè)管道外部夾裝換能器，即可作無侵?jǐn)_非接觸測量，毋須對被測管道停流截管接入流量傳感器，或打孔插入檢測換能器，這是外夾裝超聲流量計(jì)在工業(yè)用流量儀表中所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。既可作移動(dòng)性（即非定點(diǎn)固定安裝）測量，用作管網(wǎng)流動(dòng)狀況評估測定，或作為檢查已裝用其他流量儀表測量準(zhǔn)確性比對的參照流量值。

      外夾裝換能器超聲流量計(jì)有傳播時(shí)間法超聲流量計(jì)（transit time ultrasonic flowmeter，TTUF），多普勒法超聲流量計(jì)（doppler ultrasonic flowmeter，DUF），相關(guān)法超聲流量計(jì)（cross correlation ultrasonic flowmeter，CCUF）三種。本文在這三種外夾裝超聲流量計(jì)中僅討論TTUF，因?yàn)樾蘁最廣泛應(yīng)用于各種潔凈液體。DUF只應(yīng)用于含顆粒和氣泡的液體，且測量精度較低；CCUF通常只應(yīng)用于雙相流體，尚處在初期階段，價(jià)格較貴，僅用于油井在線監(jiān)控，一般應(yīng)用尚缺乏吸引力。

      外夾裝刑TTUF的測量準(zhǔn)確度不能簡單地僅以儀表制造廠聲稱的儀表準(zhǔn)確度來期望測量結(jié)果，要充分估計(jì)系統(tǒng)中各因素的影響。例如，安裝方面包括換能器的定位；測量管上下游管道狀況；管道工程方面包括尺寸、材質(zhì)、內(nèi)壁粗糙度；流體方面包括潔凈度、粘度、密度、雷諾數(shù)范圍；運(yùn)行操作方面包括聲束路徑布置、換能器夾裝、幾何尺寸測量；制造廠儀表規(guī)范方面包括是否具有雷諾數(shù)補(bǔ)償?shù)?。本文就這些問題進(jìn)行討論。
     
      1 應(yīng)用領(lǐng)域和性能

      夾裝式TTUF應(yīng)用于清潔液體，液體中只能含有小于某限量的固體顆粒或氣泡。應(yīng)用分固定永久性安裝和移動(dòng)臨時(shí)性安裝兩大領(lǐng)域。固定安裝常用于水行業(yè)、化學(xué)工業(yè)的不允許停流截管場所，半導(dǎo)體業(yè)的高純度液，化學(xué)工業(yè)的腐蝕液，食品和醫(yī)藥業(yè)的防污染和衛(wèi)生要求液，各流程工業(yè)泵的運(yùn)行保護(hù)等場所。臨時(shí)性外夾裝傳播時(shí)間法超聲流量計(jì)應(yīng)用準(zhǔn)則蔡武昌安裝應(yīng)用于流程工業(yè)作為核對、維護(hù)管線上正在使用的流量儀表的工具；在水行業(yè)用作管網(wǎng)流動(dòng)狀況的分析測定，管網(wǎng)檢漏，對固定安裝流量儀表的核對，等等。

      儀表制造廠聲稱外夾裝TTUF的準(zhǔn)確度為測量值的1%~2% ，低流量時(shí)誤差以固定流速表示，為±（0.01~0.03）m/s。運(yùn)行中測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度因各影響因素遠(yuǎn)近于此值，例如45°聲路角有1。偏差就會(huì)產(chǎn)生1.7%流量測量誤差，管內(nèi)徑0.5% 尺寸，偏差會(huì)產(chǎn)生1%流量誤差。在現(xiàn)場十分細(xì)致的定位安裝，良好運(yùn)行條件下，系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度可期望在測量值的2% ~5% 。若定位安裝粗糙（如管內(nèi)徑不作測量僅用名義尺寸），操作不細(xì)致，測量誤差可能超過10%。系統(tǒng)重復(fù)性可望達(dá)到1%。

      2 安裝影響

      單聲道TTUF無論在紊流充分發(fā)展流動(dòng)或流速分布畸變流動(dòng)，均敏感于流速分布變化。TTUF所測量的是聲束線平均流速v_b，而需要的是流通面積的面平均流速v_p•v_b與v_p間介入轉(zhuǎn)換系數(shù)K（=v_b/v_p），從v_b求取v_p，v_p=v_b/K，系數(shù)K不是常數(shù)，隨雷諾數(shù)而變。圖1所示是光滑管中K與Re的關(guān)系線^[1]。開始流動(dòng)是層流，流速增加到達(dá)2300時(shí)為層流區(qū)，層流區(qū)K為常數(shù)， 從2300增加到4000，流動(dòng)從層流轉(zhuǎn)向紊流，K從0.75增加到0.93為過渡區(qū)，且轉(zhuǎn)換是隨機(jī)性的，很不穩(wěn)定。Re超過4000K按經(jīng)驗(yàn)公式K=1/（1.119-0.011LogRe）增加，Re從10⁴增加到10⁶時(shí)，從0.93增加到0.95，變化約2.2%。這一變化某些型號(hào)儀表具有補(bǔ)償功能。使用時(shí)要避開Re=2300~4000的過渡區(qū)。

      若進(jìn)入TTUF的流動(dòng)狀態(tài)被上游擾流件所畸變，上述系數(shù)就不能再用，要按擾動(dòng)類型引入額外的誤差。上游流態(tài)畸變流經(jīng)一定長度直管可恢復(fù)到充分發(fā)展流態(tài)。制造廠常規(guī)定上游10D、下游5D長度直管要求，以減緩上游擾動(dòng)影響。雖然對下游5D的要求還合適，上游10D就過于樂觀了。Hojolt的實(shí)驗(yàn)表明上述要求明顯不足，圖2是單聲道儀表在若干擾流件下游不同距離的測量誤差；表1是儀表增加±2%附加誤差時(shí)所需離開擾流件下游的距離^[4]。

表1 附加誤差小于±2%時(shí)所需與擾動(dòng)源的距離 

擾動(dòng)源類型

直管長/內(nèi)徑倍數(shù)

漸縮錐管

4

漸擴(kuò)錐管

18

單90°彎管

30

U布置雙90°彎管

22

垂直平面雙90°彎管

47

蝶閥，2/3開度

18

球閥，2/3開度

15

閘閥，2/3開度

20

圖2 處于各擾動(dòng)源下游的誤差

      3 管道工程

      外夾裝TTUF的管道需要考慮管內(nèi)徑準(zhǔn)確尺寸、管壁厚度和粗糙度、管材質(zhì)、襯里和涂層等方面。

      ① 管道和襯里的尺寸和材質(zhì)雖有制造廠聲稱外夾裝TTUF曾用于管徑大到6000mm小到8mm，但通常認(rèn)為管徑不能過小，應(yīng)大于50mm。制造廠大都對管壁厚度上限不作規(guī)定，但國外有某制造廠厚度上限規(guī)定為25mm。小管徑、管壁過厚將會(huì)引入值得注意的誤差。Baker則認(rèn)為管徑D和管壁厚t的比D/t應(yīng)大于15，D/t≥10還可以接受，D/t<10因超聲沿管壁傳送可能出現(xiàn)問題，低的D/t值可能增加不確定度到±10%^[2]。

      綜合各制造廠稱外夾裝TTUF曾使用良好的管材有鑄鐵，碳鋼、不銹鋼、銅、鋁，哈氏合金，石棉，混凝土，玻璃鋼，PVC、PP、ABS、PTEF等工程塑料等。但使用者的經(jīng)驗(yàn)表明，有些制造廠的TTUF適用于其中若干種材質(zhì)，而另一些制造廠則不能。鑄鐵有疏松或細(xì)孔會(huì)減超聲；混凝土或水泥管可能會(huì)產(chǎn)生問題，但如被充分浸潤有時(shí)卻可較好地工作；還有經(jīng)歷過不銹鋼和玻璃鋼傳輸足夠信號(hào)困難的案例。

      若涂層或襯里與管壁粘結(jié)處存在氣隙，將阻礙有效超聲傳輸而無法工作。需要準(zhǔn)確測量涂層或襯里厚度，要知道它們的傳播聲速。有些型號(hào)儀表因已錄寫入聲速，只要輸入材質(zhì)名稱即可。

      ② 管內(nèi)壁粗糙度管內(nèi)壁粗糙度對流量測量帶來四方面影響，即粗糙度對流速轉(zhuǎn)換系數(shù)，超聲波散射，聲波反射次數(shù)和估算管壁厚度的影響。

      充分發(fā)展流速分布受制于管壁粗糙度k，而流速分布影響流速轉(zhuǎn)換系數(shù)，也就影響了流量值。圖3所示是一組不同相對粗糙度k/D（D為內(nèi)徑）下的K-Re關(guān)系線。從圖3中可以看到很粗糙的內(nèi)壁（如碳鋼、鑄鐵管銹蝕疤癤），可能帶來4%的誤差。

      管內(nèi)壁愈粗糙超聲散射愈嚴(yán)重，作為通則較粗糙的內(nèi)壁采用較低的超聲波頻率。此外粗糙度高在聲道布置上還限制反射次數(shù)，例如較小管徑常采用多次反射（即W法），若相對粗糙度較大、散射嚴(yán)重而無法工作，只能改試一次反射（即V法），甚至放棄反射法改用直射（即Z法）。

      要知道管材的超聲波傳播性能。為求取準(zhǔn)確換能器安裝間距，需要獲得超聲在管材中的聲速和管道尺寸。儀表產(chǎn)品說明書一般附有若干管材的公稱聲速數(shù)據(jù)，但實(shí)際聲速隨著成份（如不銹鋼1GrB為2990m/s，0Cr17 12Mo2為3175m/s）、狀態(tài)（如銅退火為2325m/s，冷軋為2270m/s）、壓力或應(yīng)力、溫度而異。若不能確悉聲速。可用超聲厚度計(jì)在同一材料已知厚度件上測定。

      4 流體因素

      ① 液體密度和粘度的影響圖1中討論到不同段的系數(shù)，而忍又是流速、液體粘度和密度、管道尺寸的函數(shù)，因此與粘度、密度有關(guān)，應(yīng)用時(shí)要核對是否已避開過渡區(qū)。特別在測量小管徑高粘度液體時(shí)更應(yīng)關(guān)注。

      ② 液體聲速使用外夾裝刑TTU在初裝調(diào)試階段要由用戶輸入液體聲速，作為設(shè)置換能器間隔距離的一個(gè)步驟。按照不同儀表設(shè)計(jì)類型，有些以此聲速定義儀表的流量公式，有些從傳播時(shí)間估算新的聲速。后一功能可補(bǔ)償受液體溫度影響引起的變化。要儀表正確地運(yùn)行，換能器間距和聲速的準(zhǔn)確性是十分重要的。有時(shí)液體的確切聲速不清楚，可請制造廠測定。

      ③ 氣泡和顆粒的影響氣泡使超聲散射，同時(shí)因液體含氣泡后會(huì)產(chǎn)生壓縮性而影響在液體中的聲速。氣泡還使儀表的信號(hào)衰減和信噪比下降，散射和衰減程度取決于氣泡含量、尺寸和分布。某制造廠提供典型能繼續(xù)工作的氣體含量為<10% ，然而對氣泡尺寸一般未規(guī)定。顆粒會(huì)散射超聲，過去普遍認(rèn)為顆粒含量應(yīng)小于1%①，但隨著檢測技術(shù)的提高，有些型號(hào)儀表含量允許高達(dá)≤4%0。低密度顆粒的粒子直徑小于λ/8（λ=聲波長度），對儀表幾乎沒有影響。

      ④ 高衰減液體的局限通常高粘度液體伴隨著高幅度的超聲衰減。例如20℃ 水（運(yùn)動(dòng)粘度1.003×10^-6m²/s）在1MHz時(shí)壓力波衰減0.22dB/m，而運(yùn)動(dòng)粘度為1.1×10^-2m²/s的蓖麻油在1MHz時(shí)衰減高達(dá)95dB/m。高粘度液體的衰減可能導(dǎo)致妨礙儀表正確運(yùn)行。這一故障現(xiàn)象通常會(huì)被儀表電子部分檢測出來。粘度衰減程度通常是聲波頻率的函數(shù)，降低儀表工作頻率有時(shí)可使之正常工作。

      制造廠曾有應(yīng)用刑TTUF于某些高粘度液體失敗的經(jīng)歷，例如高濃度磷酸，30%以上氫氧化鈉，原油、蓖麻油、漆等。

      5 操作運(yùn)行

      ① 聲波在液體中傳送方式和換能器布置  外夾裝刑F的聲波在液體中傳送方式有三種，即直接透射（Z法）、一次反射（V法）和多次反射（W法）。三種方法中主要使用Z法和V法，較少使用W 法。Z法用于大管徑，聲程比其它方法短，信號(hào)損失小，然而正確安裝、測量換能器間距和準(zhǔn)直較為困難；V法聲程較，可得較佳時(shí)間分辨能力，受旋轉(zhuǎn)流影響小，兩換能器安裝在管道同側(cè)，定位準(zhǔn)直和測量間距容易準(zhǔn)確；W法用于小管徑以增加聲程。

      在水平管道上換能器最好裝在管道截面積“3或9點(diǎn)鐘”的位置，這樣可避免安裝“12或6點(diǎn)鐘”位置時(shí)液中氣泡集源于頂部，顆粒沉于底部流動(dòng)給測量帶來影響。

      ② 換能器定位  定位方法按換能器設(shè)計(jì)和聲波傳送方法而定。大部分換能器用如鋼帶（絲）等鎖緊機(jī)構(gòu)定位，安裝于測量好的相隔距離位置。制造廠還常提供“校準(zhǔn)軌道”，以幫助測量距離和定位。

      如置于預(yù)定位置卻沒有信號(hào)，有些制造廠建議實(shí)施稱作“掃描”的操作步驟。移動(dòng)兩換能器相對位置直到找到信號(hào)，或信號(hào)從弱變強(qiáng)。兩換能器開始相距遠(yuǎn)一些，然后相向漸漸靠近的方法，較之開始相距較近再相背遠(yuǎn)離掃描為佳。如果通過掃描才有信號(hào)，說明管直徑、壁厚、材料和液體的參數(shù)等可能設(shè)定有誤，從而原定位置找不到，因?yàn)椤罢_位置”只有一個(gè)。

      ③ 從安裝調(diào)試獲悉流動(dòng)狀態(tài)  流速分布畸變的流動(dòng)和旋轉(zhuǎn)流很大程度上干擾測量準(zhǔn)確度。應(yīng)按上文所述要求，儀表與上下游擾動(dòng)源相隔相當(dāng)距離。不管怎樣，采用下述一些方法可獲悉大體流動(dòng)狀態(tài)，取得最佳效果。

      沿著管圓周移動(dòng)兩換能器，核對所測得不同位置的流速，最大流速可能是最接近實(shí)際的平均流速，因?yàn)樵谧畈粚ΨQ位置時(shí)的平均流速讀數(shù)最低。這是所有發(fā)表實(shí)驗(yàn)報(bào)告論據(jù)所建議的評估方法。從不同位置所測得流速還可估量不對稱流速分布的狀況和不對稱程度。

      比較Z法和V法各自測得的流速，如果兩者相差很大，表明存在嚴(yán)重橫向流動(dòng)，也就是有旋轉(zhuǎn)流的跡象。應(yīng)給予注意。

      ④ 耦合劑和管表面處理  耦合劑使超聲在換能器和管壁接觸表面有可靠的傳輸。長期（固定）安裝和短期（移動(dòng)）安裝應(yīng)用不同的耦合劑。長期應(yīng)用型耦合劑基本上是阿拉提膠（Araldites）和不加填料的環(huán)氧樹脂（填料會(huì)散射超聲）。永久性固定安裝耦合劑需定期檢查，檢查周期按其類型由供應(yīng)商規(guī)定，也可用有診斷功能的TTUF本身檢查何時(shí)應(yīng)予調(diào)換。

      短期應(yīng)用型耦合劑有硅脂、車軸脂等，要保證它們不干枯，推薦擠出3~4mm厚約5mm直徑耦合劑沿著換能器然后壓向管壁。

      在處置耦合劑前還應(yīng)作好下述預(yù)處理措施和注意事項(xiàng)：

      a 安裝換能器區(qū)的管外壁要始終清潔、無油脂，若有涂層等覆蓋層必須去除之，特別對含有纖維和金屬網(wǎng)的覆蓋層。

      處理管壁時(shí)要保持管道原有圓周線輪廓。因?yàn)橐３謸Q能器表面和管道軸平行，因?yàn)?°角度誤差可能改變1%~2%的聲程長度。

      b 不要應(yīng)用過量耦合劑，必須十分小心以防止過度鋪開和混合耦合劑時(shí)進(jìn)入空氣。多粉塵多絮狀物環(huán)境下要十分注意防止其混入，因粉塵和絮狀物會(huì)減小耦合作用，且易使耦合劑干枯。

      c 如管壁有凹坑，用足量耦合劑填滿之，形成完整的聲路。若是塑料管，略為打毛表面以保證環(huán)氧樹脂等耦合劑粘附。

      ⑤ 液體溫度  液體溫度會(huì)有幾方面的影響，即影響在液體中的聲速，液體密度和粘度，以及由這些而影響雷諾數(shù)和流速分布。若流程中液體溫度預(yù)期是有變化的，儀表應(yīng)具備補(bǔ)償功能。此外，液體溫度也左右著耦合劑的選擇。低溫和高溫還要選用專用換能器，溫度增加會(huì)降低某些保護(hù)壓電晶體封裝材料的聲透射性。溫度過高將降低壓電晶體的有效性甚至停止工作。有能用于測量-190~+500℃ 的專用換能器，但標(biāo)準(zhǔn)換能器的典型溫度范圍為-40~+100℃。有些高溫用換能器采取裝在經(jīng)金屬耦合體接續(xù)的長緩沖棒末端。

      要注意不同溫度條件下耦合劑的選擇和應(yīng)用，非正常運(yùn)行條件要向耦合劑供應(yīng)者咨詢。水基耦合劑在高溫下將被蒸發(fā)，在低溫下被冰凍和改變性能；油基耦合劑在高溫下將會(huì)流淌，在低溫下有些耦合劑會(huì)改變性能。

      ⑥ 管道尺寸和發(fā)射頻率所有型號(hào)夾裝式TTUF可用多種規(guī)格換能器，以支持寬范圍管道尺寸。頻率1MHz換能器是標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，適用管徑范圍50~2000mm；2MHz用于小于100mm到10mm較小管徑；0.5MHz用于約為500~5000mm管徑。

      一般地說流體中含有氣泡或顆粒建議采用較低頻率；同樣，若聲波穿透管壁存在困難也是趨向于采用較低頻率。

      ⑦ 管內(nèi)徑和壁厚測量  前文提到管內(nèi)徑的重要性，管內(nèi)徑測量的不確定度是流量測量不確定度的主要組成部分。通常測量管內(nèi)徑的步驟為：

      管壁除用作計(jì)算內(nèi)徑外，還與管材質(zhì)一起計(jì)算換能器定位位置，因此還影響聲程聲速測量。壁厚可以多種途徑獲悉：a從設(shè)計(jì)圖紙或管規(guī)格獲悉，此法最方便但很不準(zhǔn)確。因?yàn)楣苊x尺寸有相當(dāng)幅度公差范圍，例如，DN200~DN500熱軌無縫鋼管，用名義壁厚計(jì)算流通面積有可能與實(shí)際相差±（1~1.25）% ；b用超聲測厚儀實(shí)測壁厚，但本辦法對有襯里管道則不能辨別厚度是否包括襯里層，若測厚儀是能反應(yīng)出有差別的反射，則對熟練操作者在辨別上可能有些幫助；c鉆小孔插入厚度規(guī)或直接直徑測量儀。

      6 儀表性能規(guī)范

      儀表性能規(guī)范方面主要是要向制造廠了解擬用TTUF是否有雷諾數(shù)修正和聲速修正，有哪些診斷功能。

      ① 雷諾數(shù)修正如圖1所示系數(shù)隨而變，有些型號(hào)具有修正功能而有些沒有。修正是基于對特定被測液體特性和工況條件的了解。若液體在測量過程中溫度有顯著變化，就必須要具備在線修正功能。應(yīng)向制造廠詢問或查閱產(chǎn)品樣本、使用說明書，擬用儀表是否有本功能。

      ② 聲速修正所有型號(hào)外夾裝TTUF要求用戶在初始設(shè)置階段輸入聲速或液體名稱及其溫度，作為計(jì)算兩換能器間隔距離的一個(gè)步驟。有些型號(hào)儀表在以后測量過程中繼續(xù)利用此數(shù)據(jù)，而另一些則另行“在線”測量工作條件下在液體中的聲速。若被測液體在運(yùn)行過程中溫度變動(dòng)具有不容忽視的聲速影響，應(yīng)向制造廠詢問是否具備聲速修正功能，采用什么方法。
     
      ③ 診斷功能幾乎所有型號(hào)TTUF均有換能器接收信號(hào)強(qiáng)度指示，信號(hào)強(qiáng)度再結(jié)合自動(dòng)增益控制以補(bǔ)償聲波在管壁和液體中的衰減。當(dāng)換能器間距顯露出不正確狀態(tài)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度指示還可幫助掃描尋找正確位置。

      另一診斷功能是利用測量相位時(shí)，測量接收信號(hào)的信噪比，給出可信的測量品質(zhì)指示。

      大部分儀表測量系統(tǒng)是基于微處理器組成的，儀表均有各種各樣診斷硬件和軟件的功能。這些功能因型號(hào)而異，應(yīng)向潛在供應(yīng)商詢問功能范圍。

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