聲吶流量計(jì)工業(yè)應(yīng)用

李少華 李云龍

（丹東源聲中科電子有限公司，丹東 118002）

1 研究背景

流量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)，流量測(cè)量數(shù)據(jù)是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)自動(dòng)化控制、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)。隨著工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域?qū)α髁繖z測(cè)儀表的性能要求越來(lái)越高，現(xiàn)有的常規(guī)流量計(jì)，如基于差壓式、容積式、渦街式、電磁式、超聲時(shí)差法和多普勒頻移法原理的流量?jī)x表，由于在不同程度上受限于流體的物理性質(zhì)、流體流動(dòng)的特性、安裝工藝條件、維護(hù)需求及經(jīng)濟(jì)性等原因，不能完全適用于復(fù)雜的管道流體應(yīng)用環(huán)境。隨著聲吶檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)高可靠性、高精確性的聲吶在線流量計(jì)，成為市場(chǎng)的迫切需求。

對(duì)現(xiàn)有流量檢測(cè)產(chǎn)品應(yīng)用效果的調(diào)查顯示，近20%的流量計(jì)因無(wú)法適應(yīng)工業(yè)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境條件，無(wú)法滿足工藝生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量和計(jì)量需求。聲吶流量計(jì)正是瞄準(zhǔn)工業(yè)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境而開發(fā)的一種流量檢測(cè)高端產(chǎn)品，利用被動(dòng)聲吶檢測(cè)分析原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的非接觸測(cè)量，可應(yīng)用于常規(guī)流量計(jì)無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)的領(lǐng)域。

2 聲吶流量計(jì)測(cè)量原理

聲吶流量的傳感器計(jì)由柔性壓電PVDF薄膜制成，其圍繞圓管周圍沿流體流動(dòng)方向等距包裹應(yīng)變測(cè)量，組成線性應(yīng)變測(cè)量陣列。圓管內(nèi)流動(dòng)的流體由于自身流體粘性和管壁粗糙，在雷諾數(shù)大于一定數(shù)值時(shí)產(chǎn)生湍流，湍流內(nèi)的渦團(tuán)由大渦到耗散渦的耗散分布產(chǎn)生了湍流的能量譜或波數(shù)譜。如圖1所示，渦團(tuán)的脈動(dòng)在管壁內(nèi)形成切向應(yīng)變，通過(guò)圓管壁傳遞由應(yīng)變測(cè)量傳感器陣列接收并檢測(cè)到，由此得到管內(nèi)流體的湍流信號(hào)。

圖1 圓管內(nèi)的湍流渦團(tuán)示意圖及流速測(cè)量方法

由于包裹圓管的應(yīng)變測(cè)量傳感器是由圍繞圓管一周的壓電薄膜構(gòu)成，因此，得到的渦團(tuán)脈動(dòng)信號(hào)相當(dāng)于處于流速截面上的渦團(tuán)脈動(dòng)信號(hào)的積分。隨著流體的流動(dòng)，整體渦團(tuán)的脈動(dòng)隨流體具有相同的流速。理論上，通過(guò)具有相同間隔的應(yīng)變測(cè)量傳感器陣列的陣元測(cè)量得到的信號(hào)即可得到流速。如下式所示，即：

式中，ΔL為陣元之間的距離；ΔT為相鄰兩個(gè)陣元之間測(cè)量得到的信號(hào)時(shí)差。渦團(tuán)信號(hào)如圖2所示。

圖2 包裹圓管的傳感器測(cè)量得到渦團(tuán)信號(hào)方法

3 聲吶流量計(jì)介紹

3.1 聲吶流量計(jì)技術(shù)參數(shù)

管道直徑：DN50至DN900

流速范圍：?jiǎn)蜗嗷蚨嘞嘁后w，1～10m/s

流率精度：±1.0%讀數(shù)值

重復(fù)性：±0.3%讀數(shù)值

夾帶氣體范圍：0%～20%

夾帶氣體精度：±5.0%讀數(shù)值，0.01%～20%

夾帶空氣體重復(fù)性：±1.0%讀數(shù)值，0.01%～20%

傳感器：PVDF壓電薄膜傳感器帶

3.2 聲吶流量計(jì)典型應(yīng)用領(lǐng)域

聲吶流量計(jì)屬于流量計(jì)市場(chǎng)的高端產(chǎn)品，在流量檢測(cè)精確度和可靠性方面具有常規(guī)流量計(jì)所不具有的專有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于冶金礦山等領(lǐng)域的礦物分離、精礦區(qū)域、泵站和長(zhǎng)距離輸送濃縮礦漿與過(guò)程水等，還可應(yīng)用于石油、天然氣、油砂加工、發(fā)電、化工、紙漿及造紙、供水及廢水處理等行業(yè)。

4 聲吶流量計(jì)應(yīng)用特點(diǎn)

第一，聲吶流量計(jì)壓力損失小、量程范圍大、精度高，在測(cè)量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。

第二，聲吶流量計(jì)無(wú)可動(dòng)機(jī)械零件，因此，可靠性高、維維護(hù)量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，長(zhǎng)期運(yùn)行十分可靠。

第三，管道外部安裝，探頭不受管道類型和管道材料影響。

第四，探頭包裹在管道外壁，無(wú)需法蘭，不與測(cè)量介質(zhì)進(jìn)行接觸，避免管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)，性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)。

第五，儀表輕便，安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需停產(chǎn)，即使大管道安裝，也無(wú)需起重工具，兩人即可輕松完成安裝，維修十分便捷。

5 結(jié)語(yǔ)

從理論提出到實(shí)踐應(yīng)用，聲吶流量計(jì)已有多年的發(fā)展歷程，其產(chǎn)品的商業(yè)化程度越來(lái)越高，潛在的市場(chǎng)需求也越來(lái)越大。然而，任何一種流量計(jì)都不可能在所有的多相流條件下均表現(xiàn)出最佳的工作性能?，F(xiàn)有的聲吶流量計(jì)實(shí)際能達(dá)到的測(cè)量準(zhǔn)確度和適用范圍都有一定限度，每一種流量計(jì)分別適用于特定的流量范圍或者流型，這在很大程度上限制了聲吶流量計(jì)的推廣和應(yīng)用。因此，如何進(jìn)一步提高聲吶流量計(jì)的測(cè)量精度并拓寬多相流量計(jì)的工作范圍，是目前聲吶流量計(jì)開發(fā)中所面臨的重要挑戰(zhàn)，作為一項(xiàng)真正替代傳統(tǒng)流量計(jì)的新技術(shù)，聲吶流量計(jì)仍需不斷完善和發(fā)展。