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      Z型多聲道超聲波流量計三次不同故障的專門分析

      來源: 作者: 發布日期:2022-02-09

       摘要:隨著對流體的測量準確度、穩定性、適用性的要求越來越高,如今多聲道超聲波流量計得到了廣泛使用,因此在流量計運行過程中會遇到不同的異常故障,文章針對出現長期負流量、聲道信號消失、顯示流量異常波動三次故障作出了專門的分析,通過這三次故障的分析,將流量計故障檢查方向基本全部涵蓋,希望能夠有助于解決日常中遇到的相似問題。

       
      超聲波流量既適用于大管徑的介質流量的測量,也適用于小管徑的介質流量的測量。它優點在于測量準確度高的同時,幾乎還不受被測介質的各種參數的干擾,另外還可以解決強腐蝕性、非導電性、易燃易爆介質的流量測量不準確問題。雖然超聲波流量計無可動部件,需要的維護相對較少,但是由于超聲波流量計的換能器怕振動、怕雜質及氣泡等影響,因此超聲波流量計在日常運行中還是會出現一些常見問題,近期筆者單位熱網補充水流量計(三聲道)與廠外熱網供水流量計(五聲道)曾出現顯示流量波動大、顯示流量為零、顯示負流量等異常情況,它們都是關口表計,這些狀況都會影響到正常結算,甚至導致結算虧損。
       
      1、Z型多聲道超聲波測量原理
      Z型多聲道超聲流量計是利用傳播時間差法來測量流體流量,通過測量超聲脈沖傳播時間得出介質流量的流動速度,然后根據管道的截面積算出流體體積,非常終對流體體積的時間積分得出相應時間內的總流量。
       
      1.1測量原理及示意圖
      兩個相對換能器同時發出聲脈沖,讓兩個聲脈沖在管道內沿斜線向逆流和順流方向傳播,而聲脈沖傳播時間與介質的流速有關,如果流體沒有流動,聲脈沖將以相同速度向兩個方向傳播,當管道中的流體正向流動時,沿流體方向順流傳播的脈沖將加快速度,而逆流傳播的脈沖將減慢速度,因此當流體流動時,順流傳播的時間t1將縮短,而逆流傳播的時間t2會增長,分別測量它們的傳播時間t1、t2,算出時間差便可以算出流體的流速,原理示意圖如圖1所示。
      超聲波流量計流速測量示意圖原理示意圖
      1.2計算公式及說明
      當流體靜態時,從傳感器A到B,B到A的傳播時間t1與t2是相等的,即:
      V=0時t1=t2=L/v
       
      當流體有正向流速時,從A到B的傳播時間t1減少,從B到A的傳播時間t2增加,即:
      t1=(v+Vcosθ),t2=(v-Vcosθ)
      所以如果計算時間差即:△t=t1-t2=2Vcosθ,則:V=△t/2cosθ
       
      可得出與聲脈沖的聲速v無關,只與流體的流速成比例,根據換能器的安裝角度就可以計算出當前流體的流速。
       
      2出現負流量故障原因分析及處理過程
      2019年10月初,對外供熱前的補充水試驗期間,在停止補水時發現補充水流量計顯示流量不是0t/h,而是顯示負流量,檢查管路無震蕩現象,補充水泵無倒轉現象,初步懷疑是流量計本身問題。
       
      流量計的組成為換能器、線纜、接線盒、表頭,經過檢查換能器無漏水,測量換能器電容正常;檢查線纜無破損,接地線連接良好;檢查接線盒接線正常,接線板路無氧化現象;檢查表頭內部顯示信號正常,三個聲道的脈沖聲速一致,主板無報警,當用示波器檢查聲道卡件時發現三個卡件的接收信號始波電壓偏高,而問題就出在了接收信號的始波電壓上。
       
      聲道卡件上有兩個可調旋鈕塊,非常上邊一個可調旋鈕塊(TP1)是調整換聲道卡件門檻電壓的,當門檻電壓不合適時會有雜波導致顯示流量波動,而另一個可調旋鈕塊(TP2)是調整聲道卡件接收信號的,一般接收信號的始波電壓為2~3V,當電壓過低或者過大則會導致流量偏大、偏小甚至會出現負流量,非常終通過調整接收信號始波后流量計顯示恢復為0t/h。聲道卡件及示波器測量門檻電壓和接收信號的連接方式如圖2所示。
      超聲波流量計整體連接線方式
      圖2為整體連接線方式,根據測量參數及上(下)游換能器不同來更換連接點。
       
      3、聲道信號消失故障原因分析及處理過程
      2020年10月初,對外供熱前的補充水試驗期間,在補充水時發現補充水流量計顯示流量正常,但是查看信號發現三聲道的信號有兩個聲道信號消失。
       
      通過上述非常好個故障的檢查步驟檢查完畢后均未找到問題,再次檢查流量計表頭內部其他設置參數后,發現表頭內部寫入的聲道長度與正常的聲道長度偏差很大,其聲道長度與管徑相同,根據圖1(a)可知,L是明顯大于D的,所以聲道長度與管徑相同是不正確的,聲道長度不正確則會導致流速計算上的誤差,因此當板件內部設置距離與實際距離產生較大誤差時測量流量為0t/h。通過重新推算聲道長度后兩個聲道信號恢復了正常。
       
      判別表頭寫入的距離與實際距離有偏差的原理是:水溫在0~74℃左右時超聲波在水中速度為1400~1557m/s左右,溫度超過74℃后超聲波在水中的聲速會再次下降,所以超聲波的傳播速度基本維持在1400~1557m/s之間,根據初始安裝時測量的傳播時間,計算非常低聲速1400m/s和非常高速度1557m/s相對應的非常小距離和非常大距離,當超出非常小距離和非常大距離范圍的距離則判斷為錯誤距離。
       
      4、異常波動故障原因分析及處理過程
      2020年10月23日,對外供熱正常運行期間,發現供水流量顯示異常波動,上下波動量超過300t/h,而另外一臺熱網公司的供水流量計顯示正常,初步懷疑是流量表計問題。
       
      檢查換能器無漏水,測量換能器電容正常;檢查線纜無破損,接地線連接良好;檢查接線盒接線正常,接線板路無氧化現象;檢查表頭內部顯示信號正常,三個聲道的脈沖聲速一致,主板無報警;檢測聲道卡件門檻電壓、接收信號正常;檢查聲道長度也正常。
       
      經過再三排查與分析,考慮到該流量計安裝位置相對靠近供水管道拐歪處,懷疑流量計換能器附近有汽泡聚集,因為超聲波在不同的介質中傳播速度不同,當有大量汽泡聚集時,流體工況由純液體轉變為氣、液混合流體,超聲波的傳播速度受到影響,由于汽泡的時變性導致超聲波的傳播速度不斷發生變化,致使顯示流量異常波動,通過排汽閥檢查確實存在汽泡,經過排汽一段時間后流量計顯示回復正常。
       
      2020年11月22日,對外供熱正常運行期間,再次發現供水流量顯示異常波動,上下波動量同樣超過300t/h,熱網公司的供水流量計還是顯示正常,這次檢查發現5聲道信號消失,測量換能器電容異常,發現換能器延長線接頭處已斷開,更換延長線后5聲道信號恢復正常,流量計顯示恢復正常。
       
      5、總結
      當超聲波流量計出現故障時應該檢查以下幾個方面。(1)換能器本身故障、延長線問題、端子盒及接線問題。(2)流量計表頭內部參數設置(儀表長期停電、換能器有過維護移動都會改變實際或儲存參數),流量計DPU、聲道卡件等板件故障。(3)流體工況的改變,如供水泵運行情況,汽泡聚集情況等。

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