声呐流量计工业应用

李少华 李云龙

（丹东源声中科电子有限公司，丹东 118002）

1 研究背景

流量是工业生产过程中的重要参数，流量测量数据是企业进行生产自动化控制、进行经济核算的重要依据。随着工业检测领域对流量检测仪表的性能要求越来越高，现有的常规流量计，如基于差压式、容积式、涡街式、电磁式、超声时差法和多普勒频移法原理的流量仪表，由于在不同程度上受限于流体的物理性质、流体流动的特性、安装工艺条件、维护需求及经济性等原因，不能完全适用于复杂的管道流体应用环境。随着声呐检测技术的发展，研发高可靠性、高精确性的声呐在线流量计，成为市场的迫切需求。

对现有流量检测产品应用效果的调查显示，近20%的流量计因无法适应工业复杂应用环境条件，无法满足工艺生产过程质量和计量需求。声呐流量计正是瞄准工业复杂应用环境而开发的一种流量检测高端产品，利用被动声呐检测分析原理，实现对工业生产过程的非接触测量，可应用于常规流量计无法准确检测的领域。

2 声呐流量计测量原理

声呐流量的传感器计由柔性压电PVDF薄膜制成，其围绕圆管周围沿流体流动方向等距包裹应变测量，组成线性应变测量阵列。圆管内流动的流体由于自身流体粘性和管壁粗糙，在雷诺数大于一定数值时产生湍流，湍流内的涡团由大涡到耗散涡的耗散分布产生了湍流的能量谱或波数谱。如图1所示，涡团的脉动在管壁内形成切向应变，通过圆管壁传递由应变测量传感器阵列接收并检测到，由此得到管内流体的湍流信号。

图1 圆管内的湍流涡团示意图及流速测量方法

由于包裹圆管的应变测量传感器是由围绕圆管一周的压电薄膜构成，因此，得到的涡团脉动信号相当于处于流速截面上的涡团脉动信号的积分。随着流体的流动，整体涡团的脉动随流体具有相同的流速。理论上，通过具有相同间隔的应变测量传感器阵列的阵元测量得到的信号即可得到流速。如下式所示，即：

式中，ΔL为阵元之间的距离；ΔT为相邻两个阵元之间测量得到的信号时差。涡团信号如图2所示。

图2 包裹圆管的传感器测量得到涡团信号方法

3 声呐流量计介绍

3.1 声呐流量计技术参数

管道直径：DN50至DN900

流速范围：单相或多相液体，1～10m/s

流率精度：±1.0%读数值

重复性：±0.3%读数值

夹带气体范围：0%～20%

夹带气体精度：±5.0%读数值，0.01%～20%

夹带空气体重复性：±1.0%读数值，0.01%～20%

传感器：PVDF压电薄膜传感器带

3.2 声呐流量计典型应用领域

声呐流量计属于流量计市场的高端产品，在流量检测精确度和可靠性方面具有常规流量计所不具有的专有技术优势，可广泛应用于冶金矿山等领域的矿物分离、精矿区域、泵站和长距离输送浓缩矿浆与过程水等，还可应用于石油、天然气、油砂加工、发电、化工、纸浆及造纸、供水及废水处理等行业。

4 声呐流量计应用特点

第一，声呐流量计压力损失小、量程范围大、精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。

第二，声呐流量计无可动机械零件，因此，可靠性高、维维护量小、结构简单而牢固，长期运行十分可靠。

第三，管道外部安装，探头不受管道类型和管道材料影响。

第四，探头包裹在管道外壁，无需法兰，不与测量介质进行接触，避免管道泄漏风险，性能稳定、寿命长。

第五，仪表轻便，安装简单，无需停产，即使大管道安装，也无需起重工具，两人即可轻松完成安装，维修十分便捷。

5 结语

从理论提出到实践应用，声呐流量计已有多年的发展历程，其产品的商业化程度越来越高，潜在的市场需求也越来越大。然而，任何一种流量计都不可能在所有的多相流条件下均表现出最佳的工作性能。现有的声呐流量计实际能达到的测量准确度和适用范围都有一定限度，每一种流量计分别适用于特定的流量范围或者流型，这在很大程度上限制了声呐流量计的推广和应用。因此，如何进一步提高声呐流量计的测量精度并拓宽多相流量计的工作范围，是目前声呐流量计开发中所面临的重要挑战，作为一项真正替代传统流量计的新技术，声呐流量计仍需不断完善和发展。