摘要：阐述了电磁流量计的工作原理和在传感器 (探头) 安装、使用过程中应注意的问题, 以及测量数据准确性的影响因素及弥补措施。
 
    1 使用现状
    随着科学技术的进步, 流量的检测已经很少采用围堰法进行。与之相比, 电磁流量计有检测精度高、便于携带、检测快速等优点。目前采用电磁流量计对管路中流体流量的测量已经成为相关检测机构广泛使用的方法。
    2 电磁流量计的使用原理
    根据对信号检测的原理电磁流量计可分为传播速度差法 (直接时差法、时差法、相位差法和频差法) 、波束偏移法、多普勒法、互相关法及噪声法等。目前, 最广泛采用的是超声波传播时间差法。其工作原理是:超声波在流体中传播时其传播速度受到流体流速的影响, 通过测量超声波在流体中传播速度可以检测出流体的流速, 从而换算出流量来。当超声波在流体中传播时顺溜传播的超声波传播速度会增大, 逆流传播的超声波传播速度会减小, 即同一传播距离就有不同的传播时间, 再利用传播速度之差与被测流体流速值关系求出流速从而换算出流量。

图1 时差法电磁流量计测量原理图

 
    如图1所示, 有两个超声波换能器, 两个换能器分别安装在流体管线的两侧并保持一定距离, 管线的内直径为D, 超声笔行走的路径长度为L, 超声波顺流流速为tu, 逆流流速为td, 超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ。

    式中:c-超声波在非流动介质中的声速;V-流体介质的流动速度。
(2) - (1) 得

    式中, X-两个换能器在管线方向上的间距。
    假设流体的流速与超声波在介质中的速度相比是个小量, 即:

 
    3 流量测定准确性的影响因素
    3.1 探头的耦合性能
    3.1.1 表面的粗糙度
    超声波从一种介质传播到另一种介质时, 在介质分界面上将会发生反射和透射, 以及散射。当反射面绝对光滑时我们认为散射效应为零, 在比较光滑 (Ra<6.3) 时其表面散射效应非常小可近似认为是零。过大的粗糙度将会使探头与管壁表面的耦合界面处发生较严重的散射现象, 使超声波回波波形发生畸变, 从而大量的损耗超声能量, 降低传感器 (探头) 接收到能量的强度, 影响测量效果。
    3.1.2 探头晶片与管道外壁的贴合情况
    传感器 (探头) 的晶片安装部位为水平面, 而管道为具有一定曲率的近平面, 这必将导致一部分的超声波自晶片发出后无法有效的通过耦合剂进入管道内壁引起能量损耗, 进而影响测量效果。实际耦合剂的声阻抗在1.5-2.5×106kg/m2, 而钢声阻抗为45×106kg/m2, 所以靠耦合剂是很难补偿曲面和粗糙表面对探测灵敏度的影响。为此从一定程度上说, 晶面与管道壁圆弧处贴合情况越好, 就会有越多的超声波导入管道壁中用于测量, 其信号强度也就越高。
    3.2 管道内壁水垢
    水在长期的管道输送过程中, 在输水管道内壁会形成一层坚硬的沉淀物———水垢。通常将水垢按其主要化学成分分为四类:碳酸盐水垢、硅酸盐水垢、硫酸盐水垢和混合水垢等, 其对于超声波的传波有极大的吸收与阻碍作用。超声波在通过该类物质时, 受其组织结构影响, 在传导过程中发生极大地吸收衰减及扩散衰减从而在很大程度上降低了传感器 (探头) 所接收到的超声波能量, 使得所接收到的信号难以满足设备检测的需要。
    3.3 安装位置的影响
    流体在管路中流动时因受到管路变径、管路方向改变等因素影响, 管路中流体流速会在变截面处和流体运动方向发生改变处以及靠近这两个部位的一定距离范围内呈现不均衡状态 (即这些区域水流流速不稳定) , 从而影响测量结果的可靠性, 导致测量结果失真。
    3.4 管道壁后的影响
    管道的薄厚对于流量的测量有很大的影响, 依据设备使用说明书, 当内径存在1%的差异时, 测量值约有3%的误差。因此对管道壁厚, 输入准确的厚度测量参数在进行流量测量时就尤为重要。
    3.5 仪器设备自身的影响
    仪器显示值与真值之间必定存在一定的误差, 很难保证所有的示数在显示范围内能保持的一致性, 所以在具体的检测检验过程中为了达到良好的检测检验效果, 应对设备示数范围进行逐一校准, 在设备制作数值校准曲线, 以使设备在检测过程中能够更加精确地显示所测量的数据, 同时为了更加接近真值可以进行多次测量取平均值已达到更好的测量效果。
    4 电磁流量计安装方法及适用范围
    电磁流量计按照探头的安装方式分为V法、Z法和W法等。
    4.1 V法
    一般情况下, V法标准的安装方法, 使用方便, 测量准确。可测管径范围为25mm~400mm的管道上使用。安装传感器 (探头) 时应注意上下游两传感器 (探头) 应水平对齐, 使其中心连线与输水管道轴线水平一致。

图2 V法安装示意图

 
    4.2 Z法
    Z法安装一般适用于输水管道粗、水质不很洁净或管道内壁有水垢而使V法安装信号是真的情况。一般来说, 管道内径在300mm以上时选用Z法安装比较适合, Z法安装适合的管道内径100mm~600mm。安装传感器 (探头) 时应注意上下游两传感器 (探头) 与输水管轴线在同一平面内, 且上游传感器 (探头) 在低位, 下游传感器 (探头) 在高位。

图3 Z法安装示意图

 
    4.3 W法
    W法通过延长超声波传输距离的办法来提高小管测量精度, 适用于测量管道内径在50mm以下的小管。其安装方法参照V法进行。
    4.4 建议采取的探头安装部位

    探头安装部位安装图

 
    在流量测量时, 为避免管道改变处的流速不稳定, 测点应选择在距上游 (来水方向) 10倍管径长度、距下游 (去水方向) 5倍管径长度的均匀直管段 (即上、下阀门在该长度以外, 或水管的拐点在该长度以外) , 测量时管路中应充满水。安装时建议采用如上图模式。

    5 小结
    在流量测量中为了高效、准确地对流量进行测量, 在测量前应根据相关要求及相关规定制定测量方案。测量时应首先选择测点位置, 并且对测点处管路进行打磨以降低表面粗糙带来声能损耗, 然后利用超声波测厚仪测量测点处的管道壁厚, 同时应选择合适的探头和安装方式, 准确的安装探头, 调节仪器信号值, 从而使仪器达到最好的检测状态进而实现最佳测量效果。