昆明市第五自來水廠南分廠出水計(jì)量系統(tǒng)2000年投入使用 , 進(jìn)出廠水量采用夾裝時(shí)差式超聲波流量計(jì)計(jì)量控制 。這些流量計(jì)的使用對第五自來水廠南分廠水量計(jì)量、 生產(chǎn)調(diào)度 、 成本核算及工藝控制起到積極作用, 但同時(shí)在運(yùn)行過程中也暴露出其問題 : 南分廠出水 A 管道時(shí)差式超聲波流量計(jì)在使用過程中曾出現(xiàn)過信號中斷, 尤其在供水高峰期 , 會頻繁出現(xiàn)信號中斷 , 導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)。針對上述問題 , 本文結(jié)合時(shí)差式超聲波流量計(jì)工作原理對南分廠出水 A管道流量計(jì)進(jìn)行故障分析 , 通過分析提出改造措施。
1 時(shí)差式超聲波流量計(jì)測量原理
時(shí)差式超聲波流量計(jì)用于測量流體流速對雙向聲波信號的影響。它的兩個(gè)換能器探頭(T 1 、 T 2 ) 以一定的間距安裝在管壁外側(cè), 交替發(fā)射和接收超聲波。當(dāng)超聲波在靜止的流體中傳播時(shí) , 從 T 1 到 T 2 的聲波信號傳送時(shí)間與從 T 2 到T 1 的傳送時(shí)間相同;當(dāng)流體流動時(shí) , 上游換能器T 1 向下游換能器 T 2 發(fā)射一個(gè)信號, 同時(shí)下游也向上游發(fā)射信號, 由于流體流速對超聲波信號的作用 , 加快從上游到下游方向的信號傳播速度 ,同時(shí)減慢從下游到上游方向的信號傳播速度 , 兩個(gè)信號之間產(chǎn)生了時(shí)間差 。由此求得流體的流速 ,再與圓管的流通截面積相乘計(jì)算出流量 。流體流速的基本計(jì)算公式:
Vf = Kdt / TL
式中:Vf為流速 ;K為標(biāo)定系數(shù) ;dt為上下游換能器測量時(shí)間差 ;TL為測量出的聲波平均穿過流體時(shí)間 。測量原理如圖 1所示 。

2 出水 A管道超聲波流量計(jì)無信號原因
影響時(shí)差式超聲波流量計(jì)計(jì)量因素很多,如換能器探頭安裝方式、 上下游直管段長度、 工藝管道參數(shù)等。為了確定出水 A 管道時(shí)差式超聲波流量計(jì)出現(xiàn)信號中斷的原因, 分別從以下兩方面進(jìn)行檢測分析 。
2.1 換能器探頭安裝方式檢測
目前換能器探頭安裝方式主要有 V法和 Z法兩種安裝方式, 如圖 2、 3所示 。V法安裝 , 超聲波信號行程增加一倍, 適用于小管徑 , 管道條件好的流量測量。 Z法安裝超聲波信號衰減小, 適用于大管徑 。一般來說 。 D > 300mm 的管道易采用 Z法安裝。

根據(jù)換能器探頭安裝方式 , 昆明市第五自來水廠出廠水管管徑為 DN1000, 故原采用 Z 法安裝 ; 出現(xiàn)信號中斷的現(xiàn)象后 , 采用了 V法安裝方式進(jìn)行試驗(yàn) , 結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是哪一種安裝方式,當(dāng)供水機(jī)組工作時(shí), 有時(shí)會出現(xiàn)信號中斷現(xiàn)象。故時(shí)差式超聲波流量計(jì)出現(xiàn)信號中斷排除安裝方式原因。
2.2 上下游直管段長度檢測
對于超聲波流量計(jì)安裝在直管段上下游長度有明確要求:上游直管長度在 10D以上, 下游在 5D以上, 同時(shí)盡量遠(yuǎn)離泵和閥門, 避免有擾動因素。因?yàn)楦鶕?jù)時(shí)差式超聲波流量計(jì)計(jì)算管道內(nèi)流體流速公式:Vf = Kdt / TL, 其中標(biāo)定系數(shù)K 是雷諾數(shù)的函數(shù) , 當(dāng)直管道不滿足長度要求,流體從穩(wěn)定層流過渡成紊流狀態(tài), 流速分布不均勻, 標(biāo)定系數(shù) K將產(chǎn)生較大變化, 引起測量準(zhǔn)確度下降。并且如果在靠近三通 、 閥門附近 ( 即不滿足直管段長度) 安裝換能器探頭, 流體易從層流轉(zhuǎn)成紊流、 渦流狀態(tài), 紊流、 渦流的產(chǎn)生使流體中有一定的氣體存在 , 由于氣體亦有一定的聲阻抗 , 使聲束分散。尤其當(dāng)含氣量大時(shí) , 將大大減小超聲波信號的強(qiáng)度, 造成信號中斷 。
根據(jù)上述分析及現(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn): 昆明市第五自來水廠出水 A管道時(shí)差式超聲波流量計(jì)安裝位置下游長度不滿足要求, 在探頭安裝位置下游附近管道管徑由 1.0m變?yōu)?1.2m, 并且接有一根 DN200的支管。因此在供水高峰期時(shí), 此段由于三通、 閥門影響, 水流易產(chǎn)生紊流 、 渦流從而產(chǎn)生氣泡, 大大減小聲波信號的強(qiáng)度, 致使時(shí)差式超聲波流量計(jì)出現(xiàn)信號中斷。通過在探頭位置靠近出水泵房一側(cè)移動 7m挖計(jì)量井, 其位置滿足上下游直管段長度要求, 利用便攜式超聲波流量計(jì)在此位置進(jìn)行水流計(jì)量檢驗(yàn), 其結(jié)果信號良好。由此說明先前探頭安裝直管段長度不滿足要求造成信號中斷。時(shí)差式超聲波流量計(jì)位置見圖 4。

通過上述分析得出 : 出水 A管道超聲波流量計(jì)在供水期間出現(xiàn)信號中斷是因?yàn)樘筋^安裝位置不滿足直管段長度要求而造成的。
3 出水 A 管道時(shí)差式超聲波流量計(jì)改造
根據(jù)上述故障分析, 結(jié)合超聲波流量計(jì)拆除、安裝方便特點(diǎn) , 此次改造不需要改管路 , 僅改變換能器探頭安裝位置 。
根據(jù)探頭安裝位置直管段長度要求, 出水 A管道計(jì)量井位置向出水泵房一側(cè)移 7m, 在出水泵房外綠化帶新建計(jì)量井 , 沿用原超聲波流量計(jì),重新進(jìn)行安裝, 安裝方式采用 Z法 。計(jì)量井設(shè)計(jì)要求防水, 底部設(shè)積水坑;并且有爬梯至底部。
改造后的探頭位置見圖 5所示。

由于出水 A管道埋設(shè)在地下 , 其外管壁涂有防銹漆 , 并且出現(xiàn)小的腐蝕坑。在安裝前, 對安裝位置管道表面進(jìn)行清污處理。具體處理措施如下 :
1) 探頭安裝位置平行于地面 , 即水平安裝,分別位于管道水平兩側(cè), 探頭水平間距為 1.0m。
2) 剝掉管道表面的防護(hù)層 , 清除管道表面的鐵銹 、 污垢等 。
3)打磨安裝位置, 打磨面積為探頭面積的 3倍。
4)將耦合劑涂滿探頭的整個(gè)發(fā)射表面, 不能有氣泡存在。
5)在打磨管道表面涂上硅脂。
6)將探頭牢牢地貼在管壁上, 用布帶或鋼帶固定探頭 ( 探頭發(fā)射方向相對)。
時(shí)差式超聲波流量計(jì)在使用過程中安裝 、 拆除方便, 便于維修;測量管徑大以及與自動化控制系統(tǒng)銜接好。同時(shí)我們注意到時(shí)差式超聲波流量計(jì)對安裝要求十分嚴(yán)格;抗干擾性差, 應(yīng)避免在強(qiáng)電磁場附近安裝 ;對安裝直管段長度有特殊要求 。另外 , 時(shí)差式超聲波流量計(jì)使用對管道工藝參數(shù)亦有一定要求 。所以在時(shí)差式超聲波流量計(jì)的使用過程中 , 應(yīng)當(dāng)注意其安裝、 維護(hù)等基本技術(shù)問題, 以便達(dá)到準(zhǔn)確測量和計(jì)量的目的 , 從而促進(jìn)企業(yè)管理 , 有利于企業(yè)成本核算, 提高企業(yè)的效益。
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