氣體超聲波流量計的工作原理及應用
摘 要：本論文分析了影響外夾式氣體超聲波流量計進行流量計量的因素，并得出結論。根據對現場應用中管段式氣體超聲波流量計的故障分析及處理，提出了氣體超聲波流量計現場應用的優化性建議。論文研究成果對氣體超聲波流量計在輸氣管道現場應用具有一定的實用價值和參考意義。
1、引言：
氣體超聲波流量計是一種利用超聲聲學原理工作的新型流量測量儀表，與傳統的流量計相比，氣體超聲波流量計具有運行穩定、易于安裝、計量準確可靠、非接觸測量、量程比寬、無壓力損失、節約能源等特點，是一種比較理想的節能型流量計，在大管徑流量測量方面也有*性。
本論文源于西南油氣田公司輸氣管理處開展的氣體超聲波流量計在輸氣管道現場的運用研究項目。在查閱大量國內外相關資料的基礎上，論文對氣體超聲波流量計的測量原理、性能技術特點及軟硬件構成進行了細致研究，并在此基礎上進行了現場實驗，主要有:噪音對外夾式氣體超聲波流量計影響測試;外夾式氣體超聲波流量計傳感器藕合劑替代材料測試;壁厚值對傳感器選型的影響測試;外夾式氣體超聲波流量計對氣體流速和管道壓力的要求測試;管道外壁粗糙程度對外夾式氣體超聲波流量計的影響;直管段長度對氣體超聲波流量計的影響測試;外夾式氣體超聲波流量計與管段式氣體超聲波流量計、高級孔板閥計量系統流量對比測試。根據現場試驗及對各種數據的分析研究和后續調試工作。
2、超聲波流量測量：
應用超聲波原理測量流量始于1928年，而進人實用階段約在20世紀70年代，但仍限于測量液體，用于測量氣體流量約在90年代。由于氣體超聲波流量計具有許多傳統流量計(孔板、渦輪、渦街……等)無法相比的突出優點(見表1)，在天然氣流量計量領域中，它猶如一顆耀眼的新星，備受國內外工程技術界的關注。
往年在巴西召開的 "FOLMEK02000第十屆流量測量學術討論會”上，重點討論了超聲波流量計，該方面的論文數占論文總數的29.4%，接近1/3 ;而歷屆討論多的有關差壓式的論文數僅占17.6%，不再成為熱點。從發展趨勢來看，由于超聲波流量計具有精確度高、性能穩定可靠、量程比大、管道中無檢測件等特點，在工程應用及貿易中，大有*取代傳統流量儀表的趨勢。目前，美國、英國、荷蘭、德國、加拿大、俄羅斯等10余個國家已批準它為天然氣貿易輸送系統的計量儀表。 據了解，我國也正對此進行技術推廣，制定了標準。僅以我國四大世紀工程之一的西氣東輸工程為例，經多次流量計量論證，已將氣體超聲波流量計作為流量計量的選儀表。據估算，該項目一期工程對檢測控制儀表的投資將達到100億元左右。流量計量是整個工程中重要的檢測參數，初步估計，管道為DN150~DN1000的大中型天然氣輸配計量站約數百個，DN100以下的流量計量所需儀表將以萬計，流量計量投資約10億元左右。這個巨大的市場對于儀表生產廠商來說，真是千載難逢。
表1 流量計的性能比較
| 項目 | 孔板 | 渦街 | 渦輪 | 超聲波 |
| 精確度(%) | ±1 | ±1 | ±1 | ±0.5 |
| 量程比 | 3∶1 | 30∶1 | 20∶1300∶1 | |
| 管徑范圍(mm) | 50~800 | 50~300 | 10~500 | 75~1600 |
| 壓損 | 很大 | 較小 | 較小 | 無 |
| 對渦流的敏感 | 很敏感 | 很敏感 | 較敏感 | 不敏感 |
| 對流速分布的敏感 | 很敏感 | 很敏感 | 較敏感 | 不敏感 |
| 測脈動流 | 不適合 | 不適合 | 不適合 | 適合 |
| 測雙向流 | 不能 | 不能 | 不能 | 可以 |
| 測濕氣體 | 不能 | 不能 | 不能 | 可以 |
| 清洗管路 | 不能 | 不能 | 不能 | 可以 |
3、流速測量原理：
目前用超聲波法來測氣體流量，時差法幾乎是唯的選擇。時差法是目前氣體超聲波流量計應用較多的測量原理方法。氣體超聲波流量計主要由超聲波換能器組、信號處理電路和積算系統三個部分組成。超聲波發射換能器發射超聲波束穿過被測流體，超聲波接收換能器把接收到的信號經過放大、濾波處理后轉換為電信號，供積算系統積算，終實現流量的檢測。氣體超聲波流量計進行流量測量的基本目標是實現高精度，但由于工業現場接收信號弱、環境噪聲強等不利因素，該目標往往難以實現。 其測量原理如圖1所示，A、B是安裝在管道上的兩個換能器(Transducer)，既可發射又可接受超聲波。
圖1 時差式超聲波流量計原理圖
圖1中，A牌上游，B牌下游，兩者軸向距離為X，聲道長度為L。從A向B發出的超聲波順流向到達B所需時間：
tab=L/(C+Vmcosθ)
式中：
C——聲速
Vm——聲道上的平均流速θ——換能器安裝的傾角(聲道角度) B接受信號后，向A返回的超聲波信號為逆流向，所需
時間為：
tab=L/(C-Vmcosθ)
再考慮cos?=X/L，兩式相減化簡可得：
從式(1)可知，用時差法測流體的軸向速度與聲速C無關，這就大大簡化了測量電路。這個方法早為人們所知，但實際應用到測量氣體流量當時還有困難。近幾年來由于集成電路的飛速發展，可以精確測量極其微小的時間差(達10-9s~10-12s)，才使其得以進入實用階段。目前對時差的處理電路有PLL(鎖向環路)、TLL(時間鎖定環路)及LEFM(波前沿時間差法)等。
4、流量測量原理：
流量應為管道橫截面積A乘以流過管道橫截面的流體流速V，它與上述聲道L上的平均流速Vm并不相等，可用系數K予以修正，K=Vm/V。系數K取決于流體的雷諾數Re，在管道內充分發展的紊流條件下：
K=1.119-0.011×logRe (2)
當流速V變化10倍時，K值將變化1%，在進行精確測量時，必須用K對流量值進行動態修正。
當管道的直管段不夠長時，管內的流速分布不能形成充分發展的紊流，這將降低許多流量儀表測量的精確度。而超聲波流量計可采取多聲道的辦法(可采用8個換能器、4個聲道以測量整個截面的流速，如圖(2)已減少受到的影響，仍可保持高達±0.5%~±1%的精確度。
圖2 四聲道原理圖
5、工程應用：
5.1、技術特點：
時差式氣體超聲波流量計現已成為當今氣體流量(特別是高壓、大口徑)計量的首儀表，它的特點如下：
(1)適用于大口徑管道測量，口徑范圍75mm ~1200mm，大口徑可達1600mm；
(2)精確度一般優于±0.5%，重復性可達±0.1%；
(3)量程比很寬，可達300∶1以上；
(4)所需上下游直管段較短，上游為10D，下游為3D；
(5)無可動部件，使用安全、可靠；
(6)換能器輕巧，所占空間小，安裝維護方便；
(7)無壓損，為節能產品，可降低輸氣管道增壓費用；
(8)可進行雙向流量測量；
(9)不測質量流量；
(10)不受渦流及橫截面流速分布變化的影響；
(11)可精確測量脈動流；
(12)不受溫度、壓力、氣體組分變化的影響；
(13)不受沉淀物、濕氣的影響；
(14)可在不斷流、帶壓狀態下更換換能器；
(15)具有自檢、自診斷功能；
(16)管內無阻流件，可允許清洗球自由通過管道和流量計，清洗容易。
5.2、標定指標：
雖然美國燃氣協會的AGA9號報告認為采用超聲波流量計測量天然氣允許誤差為±0.7%(口徑小于300mm可允許±1%)，按目前國外制造商的水平，不進行標定基本上都可以達到這個精確度要求。但不少天然氣供應商在貿易計量時，為減少損失，仍希望通過標定來提高儀表的精確度。據Edgar估計，在DN400的管道中，輸送6Mpa壓力、750M3/h流量的天然氣，如流量計誤差為了0.7%，天然氣價格按7美元/100M3計，那么每年將少收180萬美元。而標定一臺口徑400mm的超聲流量計，每次僅需約3萬~4萬美元，幾個工作日就可回收標定費用。標定方式可以有實流標定及干標定兩種方式。
5.3、實流標定：
實踐證明，影響超聲波流量精確度的因素很多，在實驗室條件下進行。實流標定是提高流量計精確度行之有效的方法。實流標定可采取基準法及比對法。基準法是通過基本的物理量作為流量的基準來標定被校流量計，如Mt法；而比對法則是將一只精確度較高的流量計作為標準表，與被校儀表串聯在同一管道上，在相同的流量下，比對兩只流量計的差值，然后用流量系數來修正被校儀表的流量值，這種方法較基準法實施起來較為簡便，但精確度低于基準法。以上兩種標定方法，在我國成都華陽天然氣流量計量站均可進行。
表2 超聲波流量計品牌性能
| 公司名稱 | Instromet | Controlotron | Daniel |
| 口徑(mm) | 100~1600 | 50~1200 | 150~1050 |
| 流速范圍(m/s) | -30~+30 | -46~+46 | -0.3~+35 |
| 量程比 | 300∶1 | 300﹡∶1 | 200∶1 |
| 聲道 | 1~6 | 1~4 | 4 |
| 精確度(%) | ≤±0.5 | ≤±0.5 | ≤±0.5 |
| 重復性 | ≤±5mm/s | ≤±0.1% | ≤±0.2% |
| 壓力范圍(Mpa) | 5~45 | 0~42 | 1~18 |
| 溫度范圍(℃) | -20~+60﹡ | -20~232 | -20~+85﹡ |
| 模擬輸入(mA) | 0~20 | 4~20 | 4~20 |
| 模擬輸出 | 0~20mA | 0~10V， | 4~20 mA |
| 4~20 mA | |||
| 分辨力(mm/s) | ≤1 | ≤3 | 30 |
| 數據接口RS-485/RS-232 | RS-232 /RS-485 | RS-485 /RS-232 | |
| 響應時間(s) | 1 | 0.2~60 | |
| 推薦上游直管 | ＞10 | ＞10 | ＞10 |
| 長度(D) | |||
| 推薦下游直管 | 3 | 3 | 3 |
| 長度(D) | |||
| 安全防爆標志 | EExidIIT6 | EExidIIT4 | |
| 功耗(W) | ≤7 | ≤15 | |
| 電源 | DC 24V、 | DC 9~36V、 | DC 20~28V、 |
| AC 115、 | |||
| AC 110、230V | AC 90~230V | ||
| 230V±10 | |||
| 防護等級 | IP65 | IP65 | IP65 |
5.4、干標定：
實流標定較適用于DN300mm以下口徑的流量計，而對于較大口徑的流量計進行實流標定不僅拆裝運輸很繁瑣，費用也過于昂貴，而且實際上未必有這么大的標定裝置。鑒于過去幾十年來對孔板流量計實行干標，取得了不少經驗且剖有成效，而超聲流量計也無法轉動部件，可以借鑒孔板的干標。其方法如下：
(1)幾何尺寸測定：精密測量流量計殼體內部幾何尺寸，是干標法的基礎。
(2)功能測試：將換能器裝入主體接入電路，對流量計功能進行測試，確保其工作穩定。
(3)組態調整：測試調整聲道角度和聲程。
(4)零流量檢測：零流量時，流量計的時差應等于零，管道口徑愈大，零流量漂移應愈小。
(5)聲速計算：通過計算機和相關軟件，計算不同組分下氣體的聲速。
(6)聲程標定：取兩種不同壓力下純氣體(如純氮)的聲程，取其平均值。
6、市場展望：
6.1、品牌分析：
近幾年，由于微電子、數字技術的進步，超聲波流量參考，則可選用價格便宜，安裝方便但精確度較差的均速流量計；而在較小的口徑(如小于DN100)，超聲波的技術計的發展勢頭異常迅猛。2000年在北京舉辦的“第十一屆多國儀器儀表展覽會(MICONEX)”上，超聲波流量計的參展商就有10多家，但大多只能測液體流量。由于超聲波通過氣體的阻力(即氣阻)要比通過液體和固體大的多，因此，對測量電路的要求更高。目前，在上能將超聲波技術成功應用于測氣體流量，并推出產品且占有一定市場的，估計不超過10家。處于*地位的有荷蘭的Instromet公司、美國的Controlotron公司和Daniel公司、德國的Krohne公司。前三個公司都已進入具有巨大潛力的我國市場，角逐激烈。我國在20多年以前，有科學院合肥分院與四川石油設計院聯合研制氣體超聲波流量計，在1986年曾進行了樣機試驗；本溪無線電一廠也曾開發推出了CQJ-IA型氣體超聲波流量計，但至今還未成功地應用于現場。表2所列為已進入我國市場的3家國外公司超聲波流量計的技術性能(所列數據僅供參考，如有改變，以廠家所報數據為準)。
6.2、工程應用：
超聲波流量計以其優異的技術性能可用于天然氣計量。當前，在我國的西氣東輸、四川天然氣計量改造等項目中，選用它作為計量儀表已成事實。但業內專家認為，在選用上還應注意以下問題：
(1)氣體超聲波流量計是近年來推出的新型儀表，對使用中會出現的問題，還需要一個熟悉過程。選用不宜過熱，應采取穩步、謹慎的態度。
(2)目前氣體超聲波流量計均來自國外，且價格昂貴。面對我國巨大的市場，國內儀表工程界應盡早國產化，不可過分依賴國外。這不僅是外匯流失問題，對今后使用中的維修、配件更換更有好處。
(3)應根據使用目的，合理選用流量儀表，不可盲目追求高指標。如干線的流量不可作為貿易的依據，僅供內部產量勢并不突出，價格仍較貴，則可選用價格較低，精確度適中的渦輪流量計，或低速性能較好的旋進式漩渦流量計。
7、技術探討：
從化工總廠的水計量逐漸使用超聲波流量計。由于超聲波流量計的顯著優點，尤其對較粗管線(DN80以上)而言，安裝方便，整體投入費用小，因此廣泛地使用在該廠的循環水、除鹽水等水計量上，并取得了較為準確的計量效果。
(1)超聲波流量計的工作原理簡單地說，超聲波在流體中的傳播速度，順流方向和逆流方向是不一樣的，其傳播的時間差與流體的流速成正比，因此只要測量出超聲波在兩個方向上傳播的時間差，就可以知道流體的流速，再乘以管道的橫截面積，就可以得到流體的流量。
(2)影響超聲波流量計準確度的技術因素按照測量原理劃分，超聲波流量計測量流量的方法使用多的是傳播速度差法和多普勒頻移法[1]。其中傳播速度差法又可以分為時間差法、相位差法和聲循環頻率差法。在該廠使用的超聲波流量計中，基本上采用的都是時間差法。
8、結束語：
超聲波流量計作為一種流量計量儀表，只要在安裝、使用和維護方面注意一些基本的技術問題，可以達到準確測量和計量的目的，從而為提高計量平衡率提供科學和準確的依據。
