小流量超声流量计在工业工程中的应用

   管道小流量测量主要体现在管径小和流速低两个层面，虽然小流量流量仪表有差压式(层流流量计)、浮子式、容积式、电磁式、涡轮式和热质量式等品种，一般可测管径小到3~4mm，液体满度流量为0. 01~0. 05 L/min，流速低到0.05~0. 5 m/s;对于气体小流量电磁式和涡轮式还不能或不适宜应用。热质量式可测管径更小和流量更低的微小流量，液体满度流量为0. 002一0. 02 L/ min ，气体为0. 005一10L/ min。在流程工业这些小流量仪表品种中以热式气体流量计应用最为普遍，近年热式液体流量计应用才趋扩展，其他品种则应用较少。虽然已有了上述若干种小流量仪表，但有些应用场所(如半导体工业)被测流体不容许与金属或玻璃(含金属离子)接触，因工作原理或结构上限制而不能应用。人们就开发全塑料构件的小流量超声流量计以相适应。

    传播时间法超声流量计用于小管径，因声程长度短和所测时间过短，因此当前通行z法、v法声道布置的仪表，管径只能大于50一100 mm;又由于所测声程从线平均流速换算成流通通道面平均流速的转换系数，在从层流区转向紊流区时变化甚大，且在过渡区内转换是随机性的，很不稳定。因此应用时流速要避开这一区域，即下限流速的雷诺数要大于2 300一4 000，以DN25管测常温水为例，流速要大于0.1~0.17m/s，若要向低流速延伸还要克服转换系数变化过大的缺点。

为改善半导体业、制药业、精细化工、生物工程等、流程中超纯水、药液等液体流量测量，氢,氨等气体流量测量，以及分析仪器和大气污染监测气体采样等，国外开发了若干低价位液体和小流量超声流量计以相适应。 针对传统超声流量传感器结构上声程短不适应于小管径和低流速时转换系数变化大的缺点，小流量超声流量传感器在声道布置和流通通道等结构设计上作了改进。
                                        
       1)增加声程长度。传统传播时间法超声流量计的声道布置有Z法(声波从管直径(或弦)一端发射到对面接收， , V法(声波从管一边发射，经对面内壁反射，在同一边接收)，为增加声程长度，小流量超声流量传感器改成所示π字形结构。例如DN6. 3流量传感器声程长度达118mm, DN4 ~ 20代表性仪表传播时间可达60 us。流量传感器接触介质构件可全部由氟塑料制成，以避免介质与金属接触。
                          

2)降低流速下限值，减少流速分布影响。传统的超声流量计流量测量必须在较高流速的紊流状态下进行，流速降低从紊流过渡到低流速的层流状态时，从线平均流速换算到面平均流速的转换系数Kh有很大变化，右图一为内径25.4 mm圆形管Z法声道布置气体超声流量计的Kh与雷诺数Re的实验数据例。在紊流区内(Re>4000 ), Re(相当于流速)增加，Kh变化4% ~7%;从层流区向紊流区过渡转化，Kh变化急陡，变化高达25%。右图二所示是流通通道改进成矩形后Kh—Re的实验数据。从图中可以看到，在层流区内Kh变化约3%，从层流区过渡到紊流区Kh变化亦约3%。这一结构改进还有不需要上游直管段的优点。