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超声波流量计克服落后技术成为主流产品

行业聚焦点中国仪表网2009年11月03日 08:33人气:4421

根据美国ARC咨询集团出版的有关“超声波流量计全球展望”的新报道,新一代的超声波流量计已经克服了过去落后的技术,并成为监控流量和控制流量的基准技术。ARC咨询集团的研究室主任Wil Chin先生说,超声波技术将逐渐成为流量测量选择的技术,不仅仅是对传统流量技术的替代。Chin先生估计超声波流量计产品市场将从2003年的大约4亿多美元增长到2008年的6亿多美元,这将和全世界的电磁式流量计的销售额相当。

技术创新促进了增长

技术创新促进了快速增长及新供应商的不断出现。最近出版的《超声波和相关流量计的选型指导》,书中列举了全世界70多家超声波流量计供应商,其中50多家供应商有自己的制造技术。该书的合著者之一David W. Spitzer先生指出:这些供应商的大多数不是基于北美和西欧的传统市场。一些重要的供应商开始在东欧、日本以及其它的亚洲国家,比如韩国、新加坡和中国等建立他们的市场。

有两种基本的超声波流量计技术:多普勒频移技术和时差技术。多普勒法超声波流量计的工作原理是:通过测量在流体中不连贯声音、泡沫、或微粒折射的声波频率偏移来测量流体的流速。当有流量时,随着流量的增加,频率偏移也增加。时差法超声波流量计的工作原理是:通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速。有流速的地方,时间差随着流速的增加而增加(如图1所示)。 时差法超声波流量计有单个或多个信号通道。一个时差法超声波流量计的信号通道越多,它的精度就越高,也就是说它的精度越接近一个电磁式流量计的精度。在石油和气体应用中的密闭输送测量时,多通道时差法超声波流量计已经通过AGA、API、OIML的认证(如图2所示)。

同样,也有便携式和半便携外夹装式时差法流量计以及多普勒法流量计。Chin先生说,最初,外夹装式流量计被看作是测试装置,因为随着时间的流逝,超声波耦合油脂会发生退化。E H公司的新型超声波流量计,它有一个传感器座,不需要超声波或者声耦合油脂。有关在这个领域的开发,按照Chin先生所说,Caldon公司已经发明了一种创新的耦合油脂,这种油脂不会发生退化(Caldon公司是在美国匹兹堡市的一家高精度时差法超声波使用仪器制造商)。

多普勒法流量计一直被应用于特殊场合,多年以来,它们在可靠性和其它一些问题破坏了它们的声誉。多普勒法流量计,不管是插入式(湿敏传感器),还是外夹装式,主要应用于废水中的淤泥测量、挖泥和采矿中的高浓度泥浆测量。

按照Spitzer先生所说,对于外夹装式流量计,不管是多普勒法式还是多时差法式,一个重要的问题是:他们都不能对体积流量提供一个可跟踪的准确的信息说明。Spitzer说,超声波流量计的性能说明常常是以高参考精度为主。应当注意的是提到的典型精度是速度精度,不是测量的体积流量的精度。一个能测量速度且具有高精度的超声波流量计,可能在测量体积流量时不具有高精度。

外夹装式流量计另外一个重要的问题是管道衬里材料的不同,测量能力也不同。比如,沥青衬里材料在声学上比其它材料,如塑料有更好的性能。

多年来,多通道时差法流量计一直应用于大口径管道中高品质液体和气体的测量及密闭输送。这些装置受通道几何形状的限制,主要应用在大尺寸管道中,传感器的数量也增加了成本。典型的多通道流量计的价格范围在30000~40000美金,或者更高的价格范围。ARC公司的Chin指出,德国Krohne公司是液体流量计的业内领导者,美国国家仪器(NI)公司是气体流量计的业内领导者。

以前,单通道时差法流量计在联轴节结构中相当普遍,但随着时间的推移,性能高而且价格日益降低的电磁式流量计和涡流式流量计,使这些单通道时差法流量计的应用越来越少。

近年来,几家制造厂商开发出了新一代的联轴节流量计,并把该装置分类为多功能多通道流量计。与石油和煤气工业中应用的高精度的多通道流量计相比,这些流量计的通道比较少,但是它有更高的精度。由于联轴节流量计的联轴节结构,它能被校准到一个参考标准进行体积流量测量,因此,相对于外夹装式流量计,它有一个重要的进步。西门子公司(Siemens)设计的流量计产品在临时的定型水流断面上配置了反射目标。德国Krohne公司在他们的流量计产品中配置了三声道设计,美国Controlotron公司也制造这种类型的多功能多通道流量计产品。

多功能多通道流量计正在大量的销售,作为所有容积式流量计类型产品的置换物,包括电磁式流量计以及其它的装置,如:透平流量计。这些产品,比如所有时差法超声波流量计,它们的附加卖点是它们能测量绝缘流体和低传导流体,而电磁式流量计不能测量这样的流体。相对时差法超声波流量计,这些流量计有许多新的重要的应用。比如,Krohne公司声称:他们公司的三声道的多功能多通道流量计的应用范围是:含有固体杂质的液体(最高可达5%)和含有低程度的气泡的液体(最高可达2%)。Krohne公司说,在与涡流式流量计产品二者择一时,他们公司三声道的测量传感器的价格具有竞争力,在整个流程工厂中,这个产品允许单个流量计技术的应用。

与时差法超声波流量计很相似的测量装置是相关流量计。不是所有的相关流量计都是超声波流量计,但至少有一类时差法超声波流量计认为是相关流量计。Spitzer说,相关流量计通过测量管道内不同位置的参数来测量流体的速度。以超声波流量计为例,一副传感器固定在下游,一副传感器固定在上游,并以交叉相关计算来确定流体的速度。其它的相关流量计,比如美国CiDRA公司研制的新型声纳阵列流量计,完全不是基于超声波的流量传感器。
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