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上海自动化仪表五厂概况

区分认识多普勒和运输时间超声波液位计

来源:编辑:上海自动化仪表五厂发表时间:2018-04-02 10:59:09

    超声波液位计是使用声学振动来测量液体流量的非侵入式设备。有两种类型,多普勒和运输时间。两者都被设计成夹紧在管道的外部而不会破坏管路或中断流动。这也消除了压力损失并防止泄漏,这在线液位计中很常见。另外,液位计不会与液体接触,从而防止传感器的腐蚀或劣化。多普勒和渡越时间液位计的工作原理类似,但技术差异很大。为了获得准确的测量结果,了解哪种液位计用于您的应用很重要。多普勒超声波液位计根据奥地利物理学家和数学家克里斯蒂安约翰多普勒于1842年记录的多普勒效应原理运行。他指出,观察者接收的声波频率取决于运动来源或观察者的声音来源。多普勒超声波液位计使用换能器将超声波束发射到流经管道的流中。为了使液位计工作,流中必须有固体颗粒或气泡来反射超声波束。粒子的运动使由第二换能器接收的波束的频率发生偏移。

    液位计测量与流量成线性比例的频移。此值乘以管道的内径以得出体积流量,如下所示:
    Δf= 2fTsinθ·VF  VS

    按照斯涅尔定律(折射定律):
    sinθT VT =sinθ VS
    VF =Δf fT·VT sinθT=KΔf

    哪里:
    VT =发射器材料的声速
    θT=发射器光束的角度
    K =校准系数
    VF =流速
    Δf=多普勒频移
    VS =流体的声速
    fT =发射机频率
    θ= fT进入液体的角度
    体积流量= K VF D2

    哪里:
    K =常数
    D =管道的内径

    鉴于多普勒超声波液位计依靠液体中流动的颗粒进行操作,必须考虑到固体或气泡浓度和大小的下限。另外,液体必须以足够高的速率流动以保持固体悬浮。运送时间超声波液位计运送时间超声波液位计测量超声波信号从第一个传感器传送到第二个传感器接收到第二个传感器接收到的时间差异。上行和下行测量结果进行比较。如果没有流量,两个方向的行程时间将相同。当存在流动时,如果以相同的方向行进,则声音移动得更快,而如果移动相反则声音移动更慢。由于超声波信号必须穿过管道才能被传感器接收,因此液体不能含有大量的固体或气泡,否则高频声音将减弱并且太弱而无法穿过管道。

    使用同一路径上游和下游测量结果的差异来计算通过管道的流量:

    V = K·D /sin2θ·1 /(T 0 -t)2ΔT

    哪里:

    V =流动流体的平均流速
    K =常数
    D =管道的内径
    θ=超声波的入射角
    T0 =零流量传输时间

    ΔT= T1-T2
    T1 =从上游发射器到下游接收器的波的传输时间
    T2 =从下游变送器到上游变送器的波浪传送时间
    t =通过管壁和衬里的波浪传播时间

    上述等式表明流体的流速与上游和下游测量值的差值成正比。

    渡越时间超声波液位计有三种可能的传感器配置:Z,V和W.所有被识别为单一测量路径,而超声波束遵循单一路径。在所有三种配置中,换能器产生的输出都被转换为电流,频率或电压信号。优选的配置由以下因素决定:
    管道尺寸
    可用于安装传感器的空间
    管道内壁的状况
    衬里类型
    流动液体的特性

    在“Z”型配置中,换能器位于管道的相对两侧,一个在另一个的下游。通常,下游距离近似为D / 2,其中D等于管道的直径。最佳距离由转换器计算。只有在管道内壁空间有限,混浊度高,砂浆衬里或管壁内部结垢严重的情况下,才能采用这种安排。应避免安装在小型管道上,其测量精度会降低。

    对于大多数安装,建议使用“V”配置。这种布置将两个换能器放置在管的大约相互直径的同一侧。导轨附件夹在管道上,并允许传感器水平滑动以将计算出的距离分开。

    “W”型配置最常用于直径为英寸至1英寸的管道上的安装。在这种布置中,超声波信号从墙上反弹三次;因此,它必须走得更远。高浊度液体以及管壁内部积垢或沉积物会降低准确性。影响超声波液位计精度的因素超声波液位计测量的准确性依赖于正确的安装。管道中的大温度变化或大量的振动可能影响传感器和管道的声学耦合的对准。安装期间必须考虑这些因素。此外,为了提供准确的体积流量,所有超声波液位计都要求管道已满。如果两个传感器都安装在管道中液位以下,多普勒超声波液位计在部分填充的管道上将继续产生流速测量值。

结论
    超声波液位计是测量流速的非接触式手段。它们是连接到管道外部的夹紧装置,可以测量腐蚀性液体而不会损坏传感器。两种类型的超声波液位计,多普勒和运输时间,每种都通过两种不同的技术来实现。了解每个操作的方式可以选择合适的液位计。多普勒超声波液位计必须具有反射超声波信号的颗粒或气泡。它最适用于肮脏或充气液体,如废水和浆液。液体中的大量固体或气泡会削弱由渡越时间超声波液位计发出的信号。因此,最好使用清洁液体,如水或油。

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