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夾管式超音波流量計的精度絕大部分比例決定於正確的探頭安裝,若安裝方法或位置錯誤可能導致無法達到預期的效果,甚至無法收發超音波訊號,一般最佳安裝位置的條件如下:
● 把超音波探頭安裝在越長的管子上越好,並且確認管內充滿液體。
● 將探頭安裝在管子的側面,可以減少氣泡,非滿管空腔等所造成的干擾。
● 確保探頭能夠承受量測點的溫度。越接近室溫越好。
● 在某些管內壁會有內襯雖然本產品可以經由設定來相容於具有內襯的管路,但實務上此一內層容易阻擋超音波之傳遞進而影響量測,如果可以的話安裝位置盡量避開這一類管子。
透過正確的探頭安裝將可大大提升您所需的量測精度。
儀表於兩側共有四個接線處,分別為:電源輸入、超音波探頭、溫度感測器/類比輸出、RS485 通訊,以下分別說明其安裝方式與規格。
本產品以差動方式處理超音波訊號,因此探頭接線必須有「信號 ㊉」、「信號 ㊀ 」及「接地隔離 」三條,線材的選擇請使用二條(2C)有隔離網結構,外徑(OD)小於7mm,導體材面建議0.5~0.75mm2,材線的總長度小於10 公尺,以免信號衰弱造成量測品質不良。另外上游與下游潭頭的線材長度必須一致,避免一長一短,以免造成傳輸時間的誤差,接線方法如下圖所示:
探頭轉開上蓋螺絲後可以取下上蓋,內部可看到三個接線端子,分別為「信號 ㊉ 」、「信號 ㊀ 」及「接地隔離 」,將才線穿過防水迫緊頭後,依序鎖入應對的端子,如下圖左所示。
螢幕蓋子上蓋之前,可在上蓋邊緣塗上螺絲膠、矽膠等加強防水特性,如下圖左黃色虛線處,蓋上後鎖緊螺絲,完成探頭接線程序。
<參考:線材製作要領>
1. 切線製作優劣會影響超音波訊號品質,連帶影響到量測的結果,請確實穩固執行線材製作
2. 剪下所需要的線材長度,其中一頭先穿過探頭的防水迫緊頭,接著再分別剝掉一頭40mm外層絕緣皮,並將絕緣層線整理如下圖。
3. 分別在隔離層套上35mm 對應大小的熱縮套以及電纜外圍上20mm 對應大小的熱縮套,加熱使其束緊,隨後夾上Y 型端子。
4. 將各線依照位置鎖上探頭的端子台,如下圖整理好線後鎖緊迫緊頭定線材,然後如前節所述塗膠蓋上探頭上蓋。(若有進一步的防水需求可於此空間內灌注防水膠材)
5. 接儀表的另一端線頭,同樣分別在隔離層套上35mm 對應大小的熱縮套,以及電纜外圍套上20mm 對應大小的熱縮套。加熱使其束緊隨後夾上歐式端子,如下圖所示,恭喜完工!
一般探頭的架設方式採取 V 法或 Z 法,少數的特定應用使用 N 法或 W 法。分別說明如下:
● V 法: 一般來說管徑50-300mm 範圍多採取這種架設方式,二顆探頭位在管子同一測,超音波在管中反彈一次如同 V 字形因此稱之。由於探頭在同一側因此較容易量測探頭反射因此取得訊號強度的平衡點。
● Z 法: 一般用在管徑超過300mm 的情形下,超音波訊號沒有經過反射因此強度較強。避免了訊號太弱及失真的狀況,但因為探頭分別在管子的對角不同側,因此量測探頭架設上較為困難,常見的問題是如何確認兩側探頭安裝在軸向截面的正對向以及如何確認兩側的探頭的對角距離。
● N 法:一般使用在小於50mm 的管子,探頭分別在管子的對角不同側,因此量測探頭距離上較為困難,超音波經過兩次反射達三次路徑,可延長飛行時間有利於提升小管子量測精度。實務應用上除非 V 法無法調整理想的訊號狀態,否則不建議採用此法。
● W 法:一般使用在小於50mm 的管子,超音波經過三次反射達四次路徑,可延長飛行時間有例於提升小管子量測精度,相較於 N 法雖然探頭在同側較容易量測探頭距離,但如同 N 法,實務應用上除非 V 法無法調整出理想的訊號狀態,否則不建議採用此法。
● 管路安裝位置:液體在管內流動時,會受到阻礙物,彎曲等形成擾流,為確保流量的避免流場混亂的位置,下表為各種應用現場常見的管路配置,以及相對應上游與下游探頭建議的安裝位置。在現場架設時盡量依照實際狀況選擇相對應的條件進行安裝:
● 探頭距離計算: 將各項參數於儀表中初始值(initial setup)設定完成後,即可至初始值選單中找出探頭距離(probe spacing)項目,進入後即可看到探頭距離計算結果。請先依照此距離進行探頭的架設,架設精確度會直接影響量測結果的精度,建議盡可能將TOM/TOS調整到99.90%~100.10%之間。
探頭的安裝位置應安裝在管路側面,以避免管內氣體蓄積在上方產生空腔影響超音波訊號的收發,若因特殊狀況無法安裝在側邊,則必須確保管內隨時屬於滿管狀態空隙存在於探頭與管壁之間,由於超音波強度在空氣中會大幅衰減因此會嚴重影響訊號強度與品質,因此安裝時必須將耦合劑塗在探頭上與管壁之間,並排除任何氣泡,特別留意避免存在沙子顆粒等雜質,或過後的表面漆刮除。
本產品內建二組PT1000 溫度感測器連接介面提供精確的管路上下熱能表延伸應用,相關使用注意事項如下:
● 請使用二線式PT1000 感測器,不相容於PT500、PT100。
● 儀表提供量測範圍為-100~300℃。感測器的品質與精度會直接影響溫度的量測結果請選擇正確且適用的溫度測元件。
● 感測器不分極性,但有區分上下游,安裝時請注意。
● 線材長度建議小於3 公尺,過長將影響量測精度。
● 線材經過處盡量遠離任何有可能產生電磁波雜訊的儀器或裝置。例如大電電纜,馬達,配電盤,變頻器。線材與產品接頭務必牢固鎖緊不良的接觸可能產生電阻而影響量測結果。
本產品亦內建一組4-20mA 類比電流輸出訊號,提供做量測值的類比輸出,相關使用事項如下:
(4-20mA 輸出解析度為12bit)
● 可以選擇流量、流速、上游溫度、下游溫度流體聲速、上下游溫度差等輸出。
● 可自訂上下限。提供所需要的輸出範圍。
● 本 4-20mA 為 3-wire 接線,只要主機 DC 供電,4-20mA 端子不需要外部電源輸入。接線時請依照下圖:
Q 值代表所收到的訊號品質可視為一種訊噪比(SNR)的指標,該數值介面的右下方數值位於0~100%之間,而正常情況下大多>60%。Q 值越高代表訊號品質越好,所量測到的數值越可信,Q 值若小於10% 便無法量測,可嘗試執行下列幾個方法:
● 有時RSSI 值雖高但卻可能因為探頭些微的距離,角度等誤差而造成Q 值不良。嘗試小幅度調整探頭的距離及角度。
● 不平滑的管壁,試著把管壁磨平並且確認探頭是否緊貼外管壁。
● 耦合劑塗佈不均勻,重新塗佈調整。
● 若管內壁雜質髒污等造成狀況不堪,建議更換量測位置。
● 周邊設備電磁波的干擾更換位置或是加強屏蔽。
● 流體流場混亂嘗試變更安裝位置。
● 管徑較大的管路。嘗試改為Z 法架設探頭。
顯示輸出介面的第七介面顯示所有相關於超音波飛行時間(Time of night, ToF)的值,畫面中TOM 代表量測到的飛行時間。TOS 代表計算出來的理論飛行時間這二組值理想上應為相等,因此若TOM/TOS 相除後得到的比率超出100 ±3% 時,應該採取以下方法:
● 檢查相關的設定參數是否正確?特別是管材質、管徑、是否有內襯流體、流體類型...等。
● 探頭架設距離是否正確?
若>100%可調近上下游探頭距離。
若<100%可調遠探頭距離。
在儀表畫面上有二組RSSI 數值分別代表上下游探頭所接收到的訊號強度。介於0-100% 之間,建議在10% 以上以維持系統正常運作,若發現RSSI過低或不穩定跳動時,請參考以下幾點調整方法:
● 嘗試微調探頭之間的距離。
● 更換探頭架設位置。
● 確認管內是否有沈澱物。
● 檢查管外壁是否有過厚的鐵鏽、油漆等物質,嘗試刮除平滑後勻塗佈更多的耦合劑。
● 兩個探頭所發出的訊號可能不在同一直線上,試著慢慢移動探頭直到有更好的RSSI值。並且檢察探頭距離是否有誤。
● 做完上述任何動作後,務必再次檢查探頭距離是否偏離過多,過度的偏移將產生流量量測結果的誤差。
● 檢查設定中Meter→Rx Peak Level中設定值,若架設的管徑較大,拉線較遠等因素造成RSSI總是偏低,可以嘗試調整此設定值,相關設定注意事項請參考後續說明。
本儀器超音波訊號穿透管壁與流體的發射與接收是透過壓電式超音波探頭進行,再透過超音波訊號時間差來量測,探頭與探頭之間的距離必須透過精密的計算與架設來確保測值的精確。本節將敘述相關的接線與安裝注意事項。
探頭數量為一組兩個,分別為上游探頭與下游探頭;每一個探頭有三條運接線,因此在儀表上共有六個接點,如下圖所示。將探頭依照下圖順序進行線路的安裝,若部分探頭型號僅有二條線沒有接地隔離(Gnd)接線,則安裝+、- 兩條條線即可。