超声波流量计原理

超声波流量计孙兴平2008.1.17一、气体超声波流量计原理及相关知识二、丹尼尔超声波流量计技术特点三、MarkIII电子单元四、CUI软件介绍五、S600六、超声波流量计的投运七、注意事项八、常见故障及处理一、超声波流量计结构和计量原理结构原理：气体超声流量计采用绝对数字时间差法，是通过测量高频声脉冲在气体中顺流传播和逆流传播的时间差与气体流速成正比这一原理来测量气体流量的速度式流量计当管道中有气体流过时，传感器1和传感器2所发射的超声波脉冲分别被传感器2和传感器1接受，由于超声波脉冲在气流中传播速度受到气流的影响，导致超声波脉冲顺流传播的速度要比逆流时快，在超声波声道长度内，其顺流、逆流方向的传播时间分别为：沿声程测得的被测气体的平均流速：表示被测气体的平均流速，这是沿声道长度上的平均的线性加权的气体流速，需进行气体流速的修正，得出计算气体流量的方程式：cosvcLtscosvcLtnnsttLv11cos2qf工况体积流量，m3/s；A管道流通面积，m2；ts超声波顺流传播的时间，s；tn超声波逆流传播的时间，s；L超声波在传感器之间的声道长度，m；D管道内径，m；θ管轴线与传感器声道之间的夹角；K速度分布剖面的修正系数；利用流量计算机计算出的压缩因子和温度/压力变送器来的温压信号对气体超声波流量计来的流量信号进行体积修正，从而得到标况下的流量。流量计本身的超声波工作范围在80–180KHz之间，中心频率为120KHz。snnsnsfttttLKDttLKDvKAqcos2411cos2422RS485或脉冲接收工况流量RS232/RS485色谱的分析数据温度&压力数据标况流量,总能量,天然气组分及管理所需的信息与上位机数字通信,包括所有诊断和报警信息典型的超声流量计量系统任意一对传感器t1=Lc-v(x/L)t2=Lc+v(x/L)FlowXD高级超声波流量计流量方程v=L2x(t1-t2)t1t2c=L2(t1+t2)t1t2v=流体速度c=声速t1=上游传输时间t2=下游传输时间2流量方程流量与流体的流速和截面积有关流量=流速*截面积流速测量四通道流量计气体高级超声波流量计声波的基本知识什么是声波?声波是一种机械辐射能,它以实际物质为载体的纵向压力波(注意它不是一种横截面或横向波).声波是如何产生的?当振动体与介质相接触时,便产生声波声波的频率(Hz)单位时间内通过某一给定点的声波的数量叫声波的频率声波的速度速度是指声波通过某一介质的速率(米/秒,英尺/秒),它是独立于频率的一个概念介质的弹性越大,声波传播的速度越快介质的密度越大,声波传输的速度越慢如果气体的密度已知的话,声波的速度是可以计算出来的声波的波长波长等于声波的速度除以声波的频率声波的强度随介质的密度降低而变弱超声波是高频率的声波人类可以通过听觉感知到的声波频率范围从20到20,000Hz超声波的频率在20,000Hz以上丹尼尔超声波流量计的工作频率是120KHz为什么使用超声波?能够聚焦成一束光在管道经常产生的干扰频率(60HZ)之上超声波的产生和检测压电晶体制成的传感器用来产生和感测超声波信号压电晶体的反向效应用来产生超声波振动压电晶体的正向效应用来感测超声波振动衬垫材料导电体压电晶体Disk耦合层壳体24V输入电压输出120KHz输入120KHz输出超声波流量计探头直射式直射式（从加工上来说有更高的加工精度以及对电子单元的更高要求。相对于反射式声道更短，传输时间更短），不易受管道内部污垢的影响）（脏表比较）独特的声道布置独特的声道布置能够更准确地体现流体流态（GRI的测试），同时可以有效消除漩涡流的影响；水平的声道布置不会造成凝析液的积聚;表体一次铸造成型，没有焊缝表体一次铸造成型，没有焊缝，能最大限度减小温度变化带来的表体几何尺寸的影响。二、丹尼尔气体超声波流量计技术特点噪声的数字滤波处理调节阀产生噪声的数字虑波处理（对超声波信号取平均值，从而可以滤除噪声）MarkIII电子单元MarkIII电子单元（一套电子单元适用于所有的超声波流量计，压力温度输入可以实现表体内径的补偿）表体一次铸造成型，没有焊缝时间直通式原理的技术特点DANIEL超声波流量计是时间直通式超声流量计声波由一个探头发射另一个接收，不经管壁反射声波由上游向下游传输的时间(由于声波被气流推动)小于声波由下游向上游传输的时间(声波被气流反向阻挡)这两个时间之差与气流的速度存在某种关系从上下游测得的传输时间可以计算出气流的平均速度和声波的速度脉冲发生器接收单元检测单元时钟本安型传感器信号检测回路100MHz晶振120kHz超声波信号(大大高予调节阀的干扰频率60kHz)时间直通式测量原理DanielUltrasonicSlide22T-Slot型超声波探头DanielUltrasonicSlide23可以使用以下工具在线带压拆卸并更换超声波探头三、MarkIII电子数据处理单元CPU板终端板1、一块CPU板代替原来的四块板2、MARKⅢ输出每秒更新一次，MARKⅡ5秒一次3、声波发射MARKⅢ比MARKⅡ快将通讯线（两根）接到通讯口A的“1”和“2”端子上，同时将“1”和“4”，“2”和“5”短接放大器板探头接到放大板的三根线中，黑色信号线(+)、白色信号线(-)、S接地线MarkIICPU主板电源板本安接口板现场接线板诊断和接口板四、CUI软件DANIELCUI是基于Windows操作系统的软件，可为用户呈现：流速剖面、各声道的声速、增益、信噪比连接PC机与超声流量计之间的RS232（以太网）通讯电缆，在PC机中运行“DanielCUIMARKIII”软件，点击“connect（连接）”按钮，建立PC机与超声流量计之间的通讯。以太网连接要知道超声的网址(必须有密匙)。每个声道流速每个声道声速每个声道的增益值每个声道的信噪比Meteroutput:指流量计测量出来的工况流量的大小Chordvelocities:指各个声道所测量出来的介质流速ChordSOS:指各个声道的声速大小ChordGains:指各个声道的增益，所谓增信号益就是指流量计给探头所供应的驱动能量的大小。如果某声道探头脏了，那么探头的能量就会被大大削弱，此时流量计可以通过探头的反馈信号得知能量损耗较大，结果就会增加此声道的增益，从而增加能量，能够克服由于探头脏污而导致的能量损失。Signaltonoiseratios:信噪比，指的是超声波流量计的信号和噪声的比值，信噪比越大，则说明超声波流量计的工作情况越好。Alarms:声道报警，当探头工作不正常，或者探头不能正常被处理的时候，就会出现某个声道的报警，此时声道的状态指示为红色。五、S600流量计算机DanielFloBossS600接收处理输入信号，同时提供处理输出和控制信号，用于流量计量、密闭输送、批量装载和校准设备。DanielFloBossS600提供下列部件：50赫兹的英特尔32位80486DX2CPU，带有内置式浮点计算共处理器。本配置由在每个I/O板上的六个处理器提供支持。可以最多用于10个混合计量流的容量、数据库和处理能力。CPU最多可以支持七个插入式扩展I/O模块。镶嵌式外壳可以容纳一个CPU模块和最多3个I/O模块。用于本地系统操作和数据输入的面板显示和键区：DanielFloBossS600包括一个背光的液晶演示设备、一个29键的键区和一个告警状态发光二级管。多重通讯接口，包括两个用于连接打印机或远程终端设备的RS232序列端口和三个用于连接ModbusSCADA数据网络或者与DCS监控系统的RS422/RS485串行端口（最多可以达到57.6K波特）。通过使用FTP和TCP/IP协议的10baseT以太网进行网络连接。用于与Config600的用户界面的连接的专用配置端口。功能如下：PID控制流量平衡流量规划自动求证K因子序列线性化阀门监测/控制取样器控制校准装置操作，通过配置，可以包括精密和双向的校准试验装置。模块智能输入输出（IO）通过配置，IO可以满足大多数系统的要求，其中包括多流、多重产品和主计量设备。通过配置，IO卡可以执行下列测量、控制和逻辑服务功能：数量描述12模拟输入4模拟输出1原始脉冲输出（校正）34-线RTD16数字输入12数字输出3频率输入2双脉冲输入4单脉冲输入5可编程脉冲输出数量描述12模拟输入4模拟输出1原始脉冲输出（校正）34-线RTD16数字输入12数字输出3频率输入2双脉冲输入4单脉冲输入5可编程脉冲输出I/O功能智能I/O板CPU板DanielFloBossS600包括下列软件特性：可以通过变量法对批处理进行编程。并且可以对具体的批处理终结警报和终点警报进行配置。对于所有的输入变量都可以进行流量和时间的加权平均配置。在每日的总量和运行的批处理总量的基础上，这些平均值可以用来产生校正因子。最多可以支持16个不同的警报组；通常，最常用的三种是计算机、系统和处理组。当前的告警状态通过在DanielFloBossS600的面板上的一个单独的三色发光二极管显示出来的。最多可以对12个用户定义的周期报告进行处理。同时还可提供维护、批处理和瞬时（即时）报告。气体=液体和校正采用不同的报告格式。报告可以在本地打印。每个用户都可以从10个安全级别中得到一个密码启动的安全级别。在启动过程中进行限流，以防出现电流尖脉冲。可对应用于流量或压力控制的计量器进行PID流量控制逻辑的计算。S600安装要开始安装步骤，首先要从DanielFloBossS600上拆下面板：1、确认DanielFloBossS600处于关闭状态。2、使用2.5mm通用板手拆下位于面板的底部中央部分的六角固定螺丝。3、轻轻地滑动DanielFloBossS600面板向上4mm（0.15”），使其脱离位于机箱上部的卡槽。然后向前拉动面板，使其完全脱离面板。4、从面板的后部拆下带状线缆。5、用扳手拆下设备上的顶部和底部夹持器。从这里拆除机箱的安装：1、DanielFloBossS600设备，面板上的切口应该为矩形的，垂直高度为150mm（5.9”），水平长度为66mm（2.6”）。每个轴向的公差范围为+/-3mm（0.12”）2、为了防止出现变形，面板的厚度不可以小于3mm。也可以使用比较薄的面板，但同时需要对机箱的后部进行支撑。3、将面板封装靠在预先切口的后部。4、重新安装顶部和底部固定夹，然后用扳手固定。5、如果安装了后部支撑，则应该使用自攻螺钉将封装壳固定到后部支撑上。螺丝在封装箱内的最大深度部应该超过3mm（0.12”）。CPU、I/O板的安装和拆除：CPU板的特定位置位于封装后的最左侧的插槽。其余的插槽中可以组装上插入式I/O板，也可以是预留的，并由专门用来覆盖空插槽的空板覆盖。1、在进行插入板的拆除操作之前，首先要确保DanielFloBossS600设备上的电力供应已经终端。2、在拆除之前首先要拆下固定螺丝，这样可以避免在插入板的拆除过程中对拉伸台造成损害。3、通过使用对应的板上的拉伸台拆除插入板，并使板从机箱壳中脱离出来。在拆除连接器的过程中，可能需要一定程度上的摇晃。拆除固定螺丝准备使用拉伸台来释放板使用拉伸台插板完成拆除或者最终插入的准备操作4、在安装插入板的过程中，要注意保持其与向导器的对齐（向导器位于封装壳的顶部和底部）；并轻轻地滑动板，直到其可以完好地与位于电力供应后板上的对应连接器接触。5、对于每个插入板，后板上都有两个“拉伸台”。在安装过程中要牢牢地压下这两个拉伸台。6、利用固定螺丝（每个板上有两个固定螺丝）将板固定到机箱上。注意事项：1、在拆除任何一个插入板之前要确认已经采取了必要的静电放电措施。2、某些板上的终端上的连线上的电势可能会足够高以致造成电击或者