超声波流量计杂质对测量精度影响机理分析

超声波流量计杂质对测量精度影响机理
分析
摘要：由于含有杂质的微粒，会使超声波在化工污水中产生衰减，从而影响
其测量的准确性。

本文以球体辐射声压公式为基础，探讨了杂质粒子在超声中的
作用机制；本文通过建立双相流动模型，对含有杂质粒子的管道内各种杂质的浓
度分布进行了研究，并对其在超声传输性能和流量探测中的作用进行了分析；本
文通过建立两相流测试的试验方案，比较了不同流量条件下杂质浓度引起的超声
信号的衰减与测量误差，从而证明了本文所提出的数值方法是正确的。

该方法对
在含有杂质情况下进行超声流量计测量精度的研究具有一定的参考意义。

关键词：超声波；流量计；化工污水；杂质；测量精度；影响机理
污水中的挥发性、悬浮物和助剂是化工生产中最重要的环节；由于微生物等
污染物含量高，难以达到达标排放标准，各大化工公司均配备了先进的污水处理
设备，但是污水中仍然存在着未处理的部分。

设置明渠是聚氯乙烯生产中经常使
用的集水设备，对其流量进行实时监控，可以对污水各项指标进行控制。

目前，
明渠流量计的种类很多，因此，如何选用适合于 PVC生产的、可持续计量的流量
传感器就显得尤为重要。

聚氯乙烯生产中存在粒状杂质、酸碱等杂质，这些杂质
很容易沉积在探针表面，从而影响其工作和稳定。

因此，在采用明渠流量时，必
须充分考虑以上问题，以此为设计、安装和调试依据，设计出适合 PVC生产的、
可靠性高、使用和维护方便的连续在线检测设备。

超声由于其穿透能力强、传播
方向性好、精度高等特点，在声能领域得到了广泛的应用。

具有在液体中传输距
离大、易于安装和维修、使用寿命长、对环境有较好的适应性；由于其工作稳定、高准确度、广泛的测量流量，使其成为一种具有广泛用途的无接触测量仪器。

随
着超声明渠流量计技术的不断发展，它可以很好地适应各种工况（包括强酸、强
碱等腐蚀性介质）的检测，并能很好地适应污水流量的改变（0~999 L/s）。

在PVC生产中，由于企业越来越注重环保，超声波管道流量计在环境监测、保护、
治理污染方面发挥了很大的作用。

本文采用数值仿真和实验相结合的方法，对不同流量情况下超声波流量计中杂质颗粒大小的影响进行了讨论。

1超声波在两相流介质中的传播特性
根据实际工作情况，超声衰减的主要因素是散射和扩散。

声传播的特性决定了扩散和衰减，随着声波的传播，声束表面会增大，但是它的总声能不会改变。

化工污水中的微粒会造成散射衰减，有些较大的微粒会将声波的传播彻底阻断。

在对散射声场进行分析时，一般认为颗粒是一个完全刚性的、半径为r的球。

设z方向上的平面波，用下标P来指示人的射波，并且散射波用下标s来指示。

用勒让德多项式对入射声压公式进行了扩展，由球面辐射光源的声场强度计算，得出了其平均散射功率：
式中：IP为入射波声强/W/m2。

因此，颗粒物引起的散射衰减，大致可以分三种情况，如图2所示。

图1超声波散射传播示意图
图2不同波长和粒径关系F声渡散射状况
在波长比粒子直径大得多的情况下（2πr/λ<<1时），人射光的平均散射功
率在人射光中所占的比例很低，这与频率、微粒半径的乘积呈正相关关系。

在波
长与颗粒尺寸的差异很小的情况下，一部分声波会继续向前，一部分会朝其它方
向扩散。

在频率较高或颗粒较大时（2πr/λ>>1)，微粒会形成一个很好的反射器，可以完全阻挡声波的传播。

超声波传感器工作频率为1MHz，超声波在化工污
水中的传输速率为1500米/秒，其超声波长A≈1.5毫米。

按照防腐蚀技术规范，在给化工污水排放管网上应设置二级滤网：一级滤网直径为3mm；第二类是直径
为0.65-0.75mm的滤芯，在进入流量之前，必须在回水管上安装滤芯，滤芯尺寸
不能低于0.25mm（60目）。

本文以CaCO_3为主要组分，对粒度为0.2mm的杂质
粒子进行了试验。

结果表明，过滤后的微粒杂质仍会引起声波的衰减，影响了测
量精度。

2含杂质水流对超声波精度影响实验
2.1实验方法
通过实验，得出了杂质对测量精度的影响。

用清水和碳酸钙两相流动布测量
了流速，并将其与标准流率进行了对比，并对其误差进行了分析。

测试表选用
DN25型，精度为2，流量检验试验台为0.1%，使用川标准表及称重法进行检验。

根据实验资料和实验资料，得出了各流量的流量为0.07、0.14、0.35、1.05、
3.5m3/h。

经过滤后，碳酸钙粒子为2.7 g/cm3，碳酸钙粒子为0.2 mm。

本实验
采用0.15%、0.5%、5%的碳酸钙颗粒，在容器中均匀混合，使之达到上述要求的
平均体积，并用手工测定其准确性。

通过下列公式来计算这个误差：
在上述公式中：q1是所测得的最大流量；q为试验台所测得的标准值，本文
所采用的试验方法是称重法，利用标准称重法测定流经液体的重量，然后再求出
流量 q。

2.2结果与分析
研究发现，在不同流量点处，颗粒含量与相对误差之间的关系。

在纯水工况下，超声波流量计在不同流量点处的测量误差小于1%；随着容积比的增大，杂质水量的测定误差增大，且随着容积比的增大而增大。

在0.07m3/h时，不会对误差造成影响，在0.14m3/h时，各容积比的杂质偏差增大，在0.35m3/h时，其变化的界限值为0.35m3/h，此后，颗粒浓度的测定误差逐渐恢复。

通过实例验证了所提数值解的正确性。

杂质会导致超声波的衰减增大，导致传感器的接收延迟，导致时差增大。

时间差异的计算公式如下：
公式中： C表示在媒质中超声的传播速率， L表示在流动方向上的传播距离，而 Vl表示被测量液体的平均流速。

杂质的存在会导致声波的衰减，从而导致传感器表面接收声波的时间延迟，从而导致时差增大，从而导致正偏差。

随着杂质含量的增加，在中央区的分布也越来越多，其误差也越来越大。

图11误差随碳酸钙浓度的变化曲线图
3结论
本文通过理论分析、数值计算和实验分析，分析了杂质含量对超声传播特性和测量精度的影响。

通过两相流数值模拟，得出了在不同浓度下，颗粒直径为0.2 mm的杂质在纵向剖面中央的平均浓度分布。

即：低流速沉淀在最下面，远离声源的中心，对声波的传播没有任何影响；随着气体流量的增大和浓度的增大，杂质的分布逐渐向中央区转移，对声波场的影响增大；当杂质体积比例与超声波通道中的平均体积比例成比例时，超声波通道中的声波传播受到很大的影响。

通
过对含有各种杂质的纯水及各种杂质的超声波流量计的误差进行了分析，得出了其误差的分布规律，并从声波信号出发，对其机理进行了阐述。

参考文献
[1]郭涛,王志强,李成.时差法超声波流量计测量精度的补偿方法[J].应用声学,2021.
[2]牛放.高精度超声波流量计的流场分析及温度补偿方法研究[D].中国矿业大学,2020.
[3]杜培楠.超声波流量计计量误差分析及控制措施研究[J].2021.。