多普勒超声波流量计测量中异常现象分析

    1 引言

    多普勒超声波流量计是速度式流量计的一种。根据多普勒效应，当固定在管壁上的超声换能器向流体中的悬浮粒子发射频率为f₁的连续超声波时，被悬浮粒子反射的超声波频率为f₂。f₂与f₁之差为多普勒频移，频移的大小与流体的运动速度有关，因而测得超声波频移，按一定关系就可求出流速的大小，再乘以管道内截面积，就可知流量的大小。

    采用多普勒超声波流量计测量液体流量时，要求被测液体要有一定数量的微小固体颗粒或小气泡，但不能过多、过大，否则会影响测量准确性。

    采用美国宝力声公司生产的MST-P型便携式超声波流量计测量污水处理系统水流量过程中，出现了一些异常现象，本文选择几例进行分析，并提出了保证测量准确、稳定的办法。

    2 异常现象分析及防范措施

    2.1 一台水泵的出水量较两台并联运行的出水量大

    在测量过滤器组出水流量时，当两台相同规格水泵同时运行时，流量指示数较稳定，偶尔有非多普勒信号出现，虚假信号灯偶尔闪亮，而当停掉一台泵后，流量指示数不但没减少，反而增大，但不稳定，虚假信号指示灯频繁闪亮。原因分析：水流中有气体掺杂，所测流量是气水混合量。

    Q=Q_p+Q_q

    式中：Q  为测量的流量数；
          Q_p 为水流量；
          Q_q 为掺气流量。

    管道中水流过程可视为等温过程，Q_p可视为不随压力而变化，而Q_q却随压力而变化。根据波义耳定律，其压强（绝压）与体积成反比。当停掉一台泵后，压力降低，气体体积增大，在总量中所占比例增大，其虚假信号成分使流量数增加很多，所以报警灯频繁闪亮，说明此时流量计所显示的已经不是真实的水流量数，一般的在线流量表没有虚假信号报警装置，在这种情况下，很难发现流量数的不准确。

    防范措施：在流量仪表前主管道的最高处加装集气和排气装置，并应保证定期排放，减少水中掺气的影响，在一些设计、安装规范中应有特别要求，

    2.2 同一系统中，在不同压力、不同管径的管段上测量，流量值不一样

    在总出水管（DN=700mm）上测量总出水流量时，流量值明显高于根据水泵特性曲线估算的值，且虚假信号灯频繁闪亮。改在源水泵出口管（DN=350mm）测量，显示值稳定，流量数与估算值相符。
   
    原因分析：在同一系统中，如果没有分流，在任何直管段主测量，其流量值都应相等。

    出现上述现象是因为总出水管管径较大，且压力比泵出口压力低，而且中间经过过滤器，有混气可能。而源水泵出口压力较高，且管径较小，带气较少，因而在泵出口处测量较为准确、稳定。

    防范措施：应保证流量计在正常使用时，其流速在1m/s以上，对于较脏的污水，流速应在2m/s此以上，虽然多普勒超声波流量计测量范围最低可达0.lm/s，但为了保证水流量的测量稳定、准确，不应选在低速段。为此，安装流量计时，可以采用缩径管（这也能够保证满管），因为长度有限，不至于造成管损过大，影响后序工序的流量和压力。选择测量点时，应考虑防止混气，最好选择压力较高的管段。

    2.3 在同一管道上，管径相同，管段不同流量值不同

    当在垂直管段测量时，指示值偏高且不稳定，而在水平管段测得的流量数较稳定，且偏低。

    原因分析：仍是水中掺气造成。在垂直管段内，气水混合较均匀且气泡较多，造成流量显示不稳，出现显示值偏高的现象。而在水平管段测量时，按规定，换能器要固定在管道两侧或斜下方，而气体聚集在管道上方，对测量过程不产生影响，显示较为稳定。

    在国家工业自动化仪表施工及验收规范中没有对超声波流量计作出规定，有的设计中只要求在垂直管段安装时，被测介质的流向应当自下而上，以为这样管道内就会充满液体。其实这是一种误解，在压力作用下，只要液体中掺有气体，则整个管路中均是气液混合物，垂直管段内较水平管段内混合得更均匀，对流量测量的影响更大。

    防范措施：除装集气和排气装置外，流量计应尽量安装在水平管段的较低处，这样也便于在静态时，检查流量计的零点。

    参考文献

    [1] 恩德斯+豪斯公司.污水测量及自动化技术.1993.
    [2] Model mst-p dedicated ultrasonic flowmeter operators manual polysonlcs.1989.