时差式超声波流量计在自来水厂计量中的应用

  昆明市第五自来水厂南分厂出水计量系统2000年投入使用 , 进出厂水量采用夹装时差式超声波流量计计量控制 。这些流量计的使用对第五自来水厂南分厂水量计量、 生产调度 、 成本核算及工艺控制起到积极作用, 但同时在运行过程中也暴露出其问题 : 南分厂出水 A 管道时差式超声波流量计在使用过程中曾出现过信号中断, 尤其在供水高峰期 , 会频繁出现信号中断 , 导致计量不准。针对上述问题 , 本文结合时差式超声波流量计工作原理对南分厂出水 A管道流量计进行故障分析 , 通过分析提出改造措施。
1 时差式超声波流量计测量原理
时差式超声波流量计用于测量流体流速对双向声波信号的影响。它的两个换能器探头(T 1 、 T 2 ) 以一定的间距安装在管壁外侧, 交替发射和接收超声波。当超声波在静止的流体中传播时 , 从 T 1 到 T 2 的声波信号传送时间与从 T 2 到T 1 的传送时间相同;当流体流动时 , 上游换能器T 1 向下游换能器 T 2 发射一个信号, 同时下游也向上游发射信号, 由于流体流速对超声波信号的作用 , 加快从上游到下游方向的信号传播速度 ,同时减慢从下游到上游方向的信号传播速度 , 两个信号之间产生了时间差 。由此求得流体的流速 ,再与圆管的流通截面积相乘计算出流量 。流体流速的基本计算公式:
Vf = Kdt / TL
式中:Vf为流速 ;K为标定系数 ;dt为上下游换能器测量时间差 ;TL为测量出的声波平均穿过流体时间 。测量原理如图 1所示 。

2 出水 A管道超声波流量计无信号原因
影响时差式超声波流量计计量因素很多,如换能器探头安装方式、 上下游直管段长度、 工艺管道参数等。为了确定出水 A 管道时差式超声波流量计出现信号中断的原因, 分别从以下两方面进行检测分析 。
2.1 换能器探头安装方式检测
目前换能器探头安装方式主要有 V法和 Z法两种安装方式, 如图 2、 3所示 。V法安装 , 超声波信号行程增加一倍, 适用于小管径 , 管道条件好的流量测量。 Z法安装超声波信号衰减小, 适用于大管径 。一般来说 。 D > 300mm 的管道易采用 Z法安装。

根据换能器探头安装方式 , 昆明市第五自来水厂出厂水管管径为 DN1000, 故原采用 Z 法安装 ; 出现信号中断的现象后 , 采用了 V法安装方式进行试验 , 结果发现无论是哪一种安装方式,当供水机组工作时, 有时会出现信号中断现象。故时差式超声波流量计出现信号中断排除安装方式原因。
2.2 上下游直管段长度检测
对于超声波流量计安装在直管段上下游长度有明确要求:上游直管长度在 10D以上, 下游在 5D以上, 同时尽量远离泵和阀门, 避免有扰动因素。因为根据时差式超声波流量计计算管道内流体流速公式:Vf = Kdt / TL, 其中标定系数K 是雷诺数的函数 , 当直管道不满足长度要求,流体从稳定层流过渡成紊流状态, 流速分布不均匀, 标定系数 K将产生较大变化, 引起测量准确度下降。并且如果在靠近三通 、 阀门附近 ( 即不满足直管段长度) 安装换能器探头, 流体易从层流转成紊流、 涡流状态, 紊流、 涡流的产生使流体中有一定的气体存在 , 由于气体亦有一定的声阻抗 , 使声束分散。尤其当含气量大时 , 将大大减小超声波信号的强度, 造成信号中断 。
根据上述分析及现场勘测发现: 昆明市第五自来水厂出水 A管道时差式超声波流量计安装位置下游长度不满足要求, 在探头安装位置下游附近管道管径由 1.0m变为 1.2m, 并且接有一根 DN200的支管。因此在供水高峰期时, 此段由于三通、 阀门影响, 水流易产生紊流 、 涡流从而产生气泡, 大大减小声波信号的强度, 致使时差式超声波流量计出现信号中断。通过在探头位置靠近出水泵房一侧移动 7m挖计量井, 其位置满足上下游直管段长度要求, 利用便携式超声波流量计在此位置进行水流计量检验, 其结果信号良好。由此说明先前探头安装直管段长度不满足要求造成信号中断。时差式超声波流量计位置见图 4。

通过上述分析得出 : 出水 A管道超声波流量计在供水期间出现信号中断是因为探头安装位置不满足直管段长度要求而造成的。
3 出水 A 管道时差式超声波流量计改造
根据上述故障分析, 结合超声波流量计拆除、安装方便特点 , 此次改造不需要改管路 , 仅改变换能器探头安装位置 。
根据探头安装位置直管段长度要求, 出水 A管道计量井位置向出水泵房一侧移 7m, 在出水泵房外绿化带新建计量井 , 沿用原超声波流量计,重新进行安装, 安装方式采用 Z法 。计量井设计要求防水, 底部设积水坑;并且有爬梯至底部。
改造后的探头位置见图 5所示。

由于出水 A管道埋设在地下 , 其外管壁涂有防锈漆 , 并且出现小的腐蚀坑。在安装前, 对安装位置管道表面进行清污处理。具体处理措施如下 :
1) 探头安装位置平行于地面 , 即水平安装,分别位于管道水平两侧, 探头水平间距为 1.0m。
2) 剥掉管道表面的防护层 , 清除管道表面的铁锈 、 污垢等 。
3)打磨安装位置, 打磨面积为探头面积的 3倍。
4)将耦合剂涂满探头的整个发射表面, 不能有气泡存在。
5)在打磨管道表面涂上硅脂。
6)将探头牢牢地贴在管壁上, 用布带或钢带固定探头 ( 探头发射方向相对)。
时差式超声波流量计在使用过程中安装 、 拆除方便, 便于维修;测量管径大以及与自动化控制系统衔接好。同时我们注意到时差式超声波流量计对安装要求十分严格;抗干扰性差, 应避免在强电磁场附近安装 ;对安装直管段长度有特殊要求 。另外 , 时差式超声波流量计使用对管道工艺参数亦有一定要求 。所以在时差式超声波流量计的使用过程中 , 应当注意其安装、 维护等基本技术问题, 以便达到准确测量和计量的目的 , 从而促进企业管理 , 有利于企业成本核算, 提高企业的效益。
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