摘要：通過試驗(yàn)，分析了超聲波流量計(jì)粗糙度設(shè)置與粘度設(shè)置對測量結(jié)果的影響，并與孔板流量計(jì)測量結(jié)果比對，表明，超聲波流量計(jì)測量結(jié)果隨著粗糙度設(shè)置值增大而增大，隨著粘度設(shè)置值增大而有小幅增大，在未知管壁粗糙度和導(dǎo)熱油高溫粘度值時，超聲波流量計(jì)不能實(shí)現(xiàn)的高溫導(dǎo)熱油流量測量。
鍋妒能效值逕鍋爐節(jié)能工作的重要組成部分，而有機(jī)熱載體鍋爐又是我國工業(yè)鍋爐的重要組成部分，特別在印染、化工、輕紡等產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的省市，有機(jī)熱載體鍋爐比重更大。由于有機(jī)熱載體鍋爐介質(zhì)的特殊性，其排煙溫度往往較高，節(jié)能潛力巨大，是工業(yè)鍋爐節(jié)能的重要目標(biāo)。在有機(jī)熱載體鍋爐能效測試時，介質(zhì)流量測試準(zhǔn)確性致關(guān)重要，但在實(shí)際操作中，高溫介質(zhì)流量的測量始終是一個難點(diǎn)，往往存在可操作性差、測量結(jié)果誤差大，甚至無法測量等一系列問題。通常的孔板、渦輪、智能渦街流量計(jì)在測試前需要停爐安裝，影響使用單位的正常生產(chǎn)，流量計(jì)安裝時導(dǎo)熱介質(zhì)會污染環(huán)境，安裝和恢復(fù)還存在一些不安全因素，所以普通流量計(jì)在實(shí)際熱載體鍋爐能效測試中應(yīng)用困難。常規(guī)的超聲波流量計(jì)安裝雖不影響鍋爐正常運(yùn)行，但可測介質(zhì)溫度一般不超過120℃，也無法滿足熱載體鍋爐高溫介質(zhì)流量的測量要求。高溫超聲波流量計(jì)，采用高溫導(dǎo)波器及超聲探頭，理論上zui高可測溫度達(dá)400℃，基本滿足我國目前有機(jī)熱載體爐的介質(zhì)流量測試的溫度要求。
目前國內(nèi)主要使用的是ABG儀表集團(tuán)研發(fā)的高溫超聲波流量計(jì)，現(xiàn)就此類高溫超聲波流量計(jì)測量可靠性進(jìn)行研究。
1高溫超聲波流量計(jì)工作原理
檢測系統(tǒng)采用時差式流量測量方法，其原理是通過測量介質(zhì)對雙向聲波信號的影響，來確定介質(zhì)的流速，測量原理如圖1所示。檢測系統(tǒng)的兩個傳感器（T1、T2），以一定的間距安裝在管壁外，交替發(fā)射和接收超聲波。當(dāng)聲波在靜止的介質(zhì)中傳播時，從Tl到T2的聲波信號傳送時間與從，r2到Tl的傳送時間相同；當(dāng)介質(zhì)流動時，上游傳感器Tl向下游
傳感器T2發(fā)射一個信號，同時下游也向上游發(fā)射信號，而介質(zhì)流速對聲波信號的作用，將加快從上游到下游方向的信號速度，同時減慢從下游到上游方向的信號速度，兩個信號
之間產(chǎn)生時間差△t。由此求得液體的流速，再與流通截面積相乘，計(jì)算出流量。

Ka-標(biāo)定系數(shù)：
△t-傳感器測量時問差：
t1-聲波穿過介質(zhì)時間
2高溫超聲波流量檢測系統(tǒng)組成及特點(diǎn)
該檢測系統(tǒng)主要由主機(jī)、高溫導(dǎo)波器（由金屬導(dǎo)波板、傳感器夾具、管道夾具、聲耦合片構(gòu)成，見圖2）、傳感器組成．測試時．金屬導(dǎo)波板將傳感器T1（T2）的超聲波信號近乎無衰減地傳遞給管壁，再通過介質(zhì)傳遞后。被傳感器T2（T1）接收，同時，導(dǎo)波板的冷卻效應(yīng)使得傳感器表面和管道表面之間產(chǎn)生一個溫差，有效阻隔了傳熱，使傳感器不承受高溫，增強(qiáng)了系統(tǒng)整體耐溫能力，從而滿足了流量測量的高溫要求。傳感器與金屬導(dǎo)波板的連接如圖3所示。

3安裝與調(diào)試方法
測試前，應(yīng)查閱鍋爐相關(guān)技術(shù)資料，包括鍋爐的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行系統(tǒng)，有關(guān)管路的材質(zhì)、規(guī)格，導(dǎo)熱介質(zhì)的理化特性如運(yùn)動粘度、密度等。此外，還要確認(rèn)鍋爐運(yùn)行參數(shù)，并對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地勘察，zui后確定測量位置。一般來講，測量點(diǎn)應(yīng)選擇充滿介質(zhì)的直管段，盡可能遠(yuǎn)離泵、閥門等設(shè)備，避免紊流帶來測量誤差。根據(jù)儀器要求，傳感器應(yīng)安裝在上游直管段為1OD，下游直管段為5D的位置，對于上游存在泵、閥門等設(shè)備時，要求上游直管段為50D以上才能保證測量準(zhǔn)確性。
根據(jù)管道規(guī)格及被測介質(zhì)溫度選擇高溫導(dǎo)波器及傳感器型號，在高溫導(dǎo)波器安裝前，應(yīng)先確定安裝距離參數(shù)。將儀器連接好，開機(jī)輸入測點(diǎn)管道的外徑、壁厚、材質(zhì)、內(nèi)襯、粗糙度，介質(zhì)的運(yùn)動粘度、密度、溫度、聲速預(yù)估區(qū)間等參數(shù)，選擇測量通道、測量量、測量單位、聲程數(shù)等參數(shù)，儀器通過已設(shè)置的參數(shù)計(jì)算出高溫導(dǎo)波器的安裝距離參數(shù)，根據(jù)距離參數(shù)安裝導(dǎo)波器。其中熱載體對金屬管道無腐蝕性，管道一般無內(nèi)襯，而租糙度通常結(jié)合管道的使用年限進(jìn)行評估，選擇0．O5~0．1m。在儀器的設(shè)置和安裝過程中，需要注意以下幾個問題：
（1）測量點(diǎn)應(yīng)避開在管道缺陷或焊縫的位置附近，在水平管道上測量時，傳感器應(yīng)安裝在管道側(cè)面，以避開管道中的沉積物。
（2）管道的設(shè)計(jì)壁厚與實(shí)際壁厚可能存在偏差，儀器參數(shù)設(shè)置前，應(yīng)對管道壁厚和外徑進(jìn)行多點(diǎn)測量，保證參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確性。
（3）介質(zhì)聲速跟溫度有較大關(guān)系，根據(jù)導(dǎo)熱介質(zhì)常規(guī)運(yùn)行溫度，聲速的預(yù)估區(qū)間應(yīng)設(shè)置為700~800m/s，在系統(tǒng)調(diào)試時，需要重新調(diào)整傳感器間距，獲得準(zhǔn)確的介質(zhì)聲速。
（4）高溫導(dǎo)波器的距離參數(shù)主要包括：傳感器間距、夾具中心間距、導(dǎo)波板前端同距、傳感器與導(dǎo)波板距離。導(dǎo)波器安裝時，兩片導(dǎo)波板必須在同一平面且與管線正切的方向，才能使導(dǎo)波板將傳感器的信號良好地傳遞給管壁。如果定位不準(zhǔn)，將會影響到聲波的發(fā)射和接收，進(jìn)而影響測量準(zhǔn)確度．
（5）為了獲得*聲耦合效果，應(yīng)選用儀器專配的高溫型耦合劑．若選用普通型耦合劑，在高溫條件下，短期內(nèi)將會失效，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。
安裝完成后，必須對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)儀器顯示的信號強(qiáng)度，調(diào)整傳感器位置，以獲得zui大信號“s強(qiáng)度，按儀器指示將移動后的距離參數(shù)輸入系統(tǒng)，會得到介質(zhì)聲速近似值．根據(jù)聲速近似值縮小聲速的預(yù)估區(qū)間，并將其重新輸入系統(tǒng)。重復(fù)以上定位步驟，多次調(diào)整，直至傳感器計(jì)算距離與實(shí)際距離之差小于5m，并獲得zui大信號“S”強(qiáng)度。此時，儀器顯示介質(zhì)聲速的準(zhǔn)確值，檢測系統(tǒng)調(diào)試完成。
上述相關(guān)參數(shù)中，導(dǎo)熱油粘度與現(xiàn)場管道的租糙度需要進(jìn)行設(shè)置。通常情況下，不同的管道粗糙度差別并不大，機(jī)器內(nèi)置的是0.1mm、0.2mm、0.3mm至0.9mm等每隔0.1mm的遞增。不同廠家的導(dǎo)熱油粘度有差別，流量計(jì)內(nèi)置了一些大石油廠家的導(dǎo)熱油參數(shù)，可以直接選擇。不用設(shè)置，如SHEL公司的導(dǎo)熱油，也可以手動輸入導(dǎo)熱油參數(shù)·以下通過試驗(yàn)方法，采用超聲波流量計(jì)和孔板流量計(jì)對同一管道、同一工況下的導(dǎo)熱油爐的流量進(jìn)行測量，并進(jìn)行對比，以研究在未知粘度和管壁粗糙度情況下，超聲波流量計(jì)設(shè)置不同粘度值和粗糙度值時兩種流量計(jì)測試結(jié)果的差別大小，從而驗(yàn)證在未知上述參數(shù)情況下使用超聲波流量計(jì)測量流量的可靠性。
4改變粗糙度值設(shè)置的試驗(yàn)結(jié)果及分析
在考慮粗糙度值設(shè)置對測量結(jié)果的影響時，要設(shè)置一個粘度值，測試現(xiàn)場使用的是首諾的導(dǎo)熱油，其名稱為THERMINOL669（其物性參數(shù)已知），根據(jù)現(xiàn)場導(dǎo)熱油的出口溫度為320℃，設(shè)置此時其粘度值為0.47m2/s。圖4是粗糙度值設(shè)為0.1mm時，超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的測量結(jié)果讀數(shù)比較?？偣矞y量次數(shù)為1O組。

由圖中可以看出，l0次測量結(jié)果中，兩種流量計(jì)的讀數(shù)均較為平穩(wěn)，和現(xiàn)場實(shí)際工況也吻合：生產(chǎn)24小時不問斷，所測鍋爐全天工況流量均非常穩(wěn)定。但超聲波流量計(jì)讀數(shù)較孔板流量計(jì)讀數(shù)偏大。
圖5是粗糙度值設(shè)為0．2m時，超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的測量結(jié)果讀數(shù)比較?？偣矞y量次數(shù)也為1O組。

圖5曲線和圖4較為相似，兩種流量計(jì)lO次測量結(jié)果讀數(shù)均很穩(wěn)定，與圖4不同的是，超聲波流量計(jì)較孔板流量計(jì)讀數(shù)更大。
圖6是粗糙度值設(shè)為0．3m時，超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的測量結(jié)果讀數(shù)比較?？偣矞y量次數(shù)也為10組。

圖6中兩種流量計(jì)lO次測量結(jié)果讀數(shù)也很穩(wěn)定，波動較小。
以上三組試驗(yàn)表明，超聲波流量計(jì)粗糙度設(shè).1mm到0.9mm，每個粗糙度設(shè)置值下10次測量結(jié)果的平均值與孔板流量計(jì)每1O次測量結(jié)果的平均值比對曲線。

圖7表明，超聲波流量計(jì)的測量結(jié)果讀數(shù)隨租糙度設(shè)置值增大而趨于增大，并且與孔板流量計(jì)的測量結(jié)果讀數(shù)差別也增大，逐漸高于孔板流量計(jì)的測量結(jié)果讀數(shù)。
結(jié)合以往的測量經(jīng)驗(yàn)，以及J：述測量結(jié)果和孔板流量計(jì)的比對分析。當(dāng)不能準(zhǔn)確獲得管內(nèi)壁租糙度時，該值設(shè)置取0.1mm時較為合理。
5改變粘度值設(shè)置的試驗(yàn)結(jié)果及分析
超聲波流量計(jì)粗糙度值設(shè)置為01mm，改變粘度設(shè)置專值，研究粘度值設(shè)置對超聲波流量計(jì)測量結(jié)果讀數(shù)的影響，每個粘度設(shè)置值下測量10次結(jié)果，并與孔板流量計(jì)對比．
圖8為運(yùn)動粘度為0.38m/s時，超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的測量讀數(shù)結(jié)果比較。

圖8表明，超聲波流量計(jì)lO次測量結(jié)果較為平均，每次測量值均高于孔板流量計(jì)。
圖9為運(yùn)動粘度為0．49m2／s時，超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的測量讀數(shù)結(jié)果比較．

圖9與圖8類似，超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的讀數(shù)均比較穩(wěn)定，前者讀數(shù)比后者讀數(shù)大。
圖lO為運(yùn)動粘度為0.63mm2/s時，超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的測量讀數(shù)結(jié)果比較。

圖l0結(jié)果與圖9、圖lO結(jié)果類似，超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的讀數(shù)均比較穩(wěn)定，前者讀數(shù)比后者讀數(shù)大。
圖11為運(yùn)動粘度為0．97mmZ2/s時，超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的測量讀數(shù)結(jié)果比較。

圖11結(jié)果與前三組圖類似。
圖12為運(yùn)動粘度為1.46m2/s時，超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的測量讀數(shù)結(jié)果比較。

圖12結(jié)果與前四組圖也類似。
上述試驗(yàn)比對結(jié)果較為相似：超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的讀數(shù)均比較穩(wěn)定，前者測量結(jié)果讀數(shù)比后者偏大約5％～1O％。
圖13給出了超聲波流量計(jì)若干粘度設(shè)置值下l0次測量結(jié)果的平均值與孔板流量計(jì)每lO次測量結(jié)果的平均值比對曲線。這里設(shè)置的粘度值范圍為0.38mm2/s~1.85mm2/s，對應(yīng)的導(dǎo)熱油溫度是380℃~140℃，覆蓋了一般有機(jī)熱載體鍋爐導(dǎo)熱油的使用溫度范圍。

圖l3表明，粘度值變化時，超聲波流量計(jì)測量結(jié)果讀數(shù)隨粘度設(shè)置值增大有小幅度增大的趨勢，在實(shí)驗(yàn)粘度設(shè)置值范圍內(nèi)下各測量結(jié)果讀數(shù)波動約為±5％左右。超聲波流量計(jì)測量結(jié)果讀數(shù)比孔板流量計(jì)偏大約5％~10％。
據(jù)有關(guān)資料顯示，常溫下其粘度值在20mm2/s40mm2/s之間，與高溫下的牯度值相差一、兩個數(shù)量級。按照圖13中超聲波流量計(jì)測量結(jié)果讀數(shù)隨粘度設(shè)置值的變化趨勢，若在實(shí)際澳I試中輸入常溫下的粘度值，其測量結(jié)果讀數(shù)與孔板流量計(jì)的讀數(shù)將進(jìn)一步拉大?？梢耘袛?，在未能獲得導(dǎo)熱油工作溫度下準(zhǔn)確的粘度值時。輸入常溫下的粘度值將不能準(zhǔn)確測得導(dǎo)熱油的流量，即超聲波流量計(jì)在現(xiàn)有的情況下不能實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)熟油流量測量。
6總結(jié)
通過試驗(yàn)研究。分析了超聲波流量計(jì)粗糙度設(shè)置與粘度設(shè)置對測量結(jié)果的影響及與孔板流量計(jì)測量結(jié)果讀數(shù)的比對情況：結(jié)果表明．超聲波流量計(jì)測量結(jié)果讀數(shù)隨著粗糙度設(shè)置值增大而增大，同時也隨粘度設(shè)置值增大而有小幅增大。試驗(yàn)粘度值設(shè)置范圍內(nèi)各量結(jié)果讀數(shù)波動約為±5％左右，超聲波流量計(jì)測量結(jié)果讀數(shù)比孔板流量計(jì)偏大約5％~10％，在未知管壁租糙度和導(dǎo)熱油高溫時的粘度時，超聲波流量計(jì)不能實(shí)現(xiàn)的高溫導(dǎo)熱油流量測量。