流程工业用小流量超声流量计

    管道小流量测量体现在管径小和流速低两个层面。虽然小流量流量仪表有差压式(层流流量计)、浮子式、容积式、电磁式、涡轮式和热质量式等品种,一般可测管径小到3~4 mm,液体满度流量为0·01~0·05 L/min,流速低到0·05~0·5 m/s;对于气体小流量电磁式和涡轮式还不能或不适宜应用。热质量式可测管径更小和流量更低的微小流量,液体满度流量为0·002~0·02 L/min[2],气体为0·005~10L/min。在流程工业这些小流量仪表品种中以热式气体流量计应用最为普遍,近年热式液体流量计应用才趋扩展,其他品种则应用较少。

    虽然已有了上述若干种小流量仪表,但有些应用场所(如半导体工业)被测流体不容许与金属或玻璃(含金属离子)接触,因工作原理或结构上限制而不能应用。人们就开发全塑料构件的小流量超声流量计以相适应。

    传播时间法超声流量计用于小管径,因声程长度短和所测时间过短,因此当前通行Z法、V法声道布置的仪表,管径只能大于50~100 mm;又由于所测声程从线平均流速换算成流通通道面平均流速的转换系数,在从层流区转向紊流区时变化甚大,且在过渡区内转换是随机性的,很不稳定。因此应用时流速要避开这一区域,即下限流速的雷诺数要大于2 300~4 000,以DN25管测常温水为例,流速要大于0·1~0·17 m/s,若要向低流速延伸还要克服转换系数变化过大的缺点。

    为改善半导体业、制药业、精细化工、生物工程等、流程中超纯水、药液等液体流量测量,氢、氩、氨等气体流量测量,以及分析仪器和大气污染监测气体采样等,国外开发了若干低价位液体和气体小流量超声流量计以相适应。本文就这类仪表做简要介绍。

    1　工作原理

    超声流量计用得较多的是传播时间法,声波如图1所示在流体中交替方向传播,顺流时声波从换能器2发射,传播速度会增大,逆流时从换能器1发射,速度会减小,同一传播距离就有不同传播时间,利用传播速度差与被测流体速度vm及式(1)所示关系求取流速:

式中　L—超声传播路径长度,m;

      X—路径的轴向分量,m;

      t₁₂,t₂₁—从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间,s;

      c—超声在静止流体中的传播速度,m/s;

      v_m—流体通过换能器1,2之间声道上平均流速,m/s。

    2　小流量超声流量传感器结构改进

    针对传统超声流量传感器结构上声程短不适应于小管径和低流速时转换系数变化大的缺点,小流量超声流量传感器在声道布置和流通通道等结构设计上作了改进。