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(jié)論。根據(jù)對現(xiàn)場 應(yīng)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(xiàn)場應(yīng)用的優(yōu)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(xiàn)場應(yīng)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(xué)原理工作的新 型流量測量儀表，與傳統(tǒng)的流量計相比，氣體超聲波流量計 具有運行穩(wěn)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(jié)約能源等特點，是一種比較理想的 節(jié)能型流量計，在大管徑流量測量方面也有優(yōu)越性。

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(xiàn)場的運用研究項目。在查閱大量 國內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，論文對氣體超聲波流量計的測 量原理、性能技術(shù)特點及軟硬件構(gòu)成進行了細致研究，并 在此基礎(chǔ)上進行了現(xiàn)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 耦合劑替代材料測試；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(tǒng)流量對比測試。根據(jù)現(xiàn)場試驗及對各種數(shù)據(jù)的 分析研究和后續(xù)調(diào)試工作。

2.超聲波流量測量

應(yīng)用超聲波原理測量流量始于1928年，而進入實用 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(tǒng)流量計(孔板、渦輪、渦街……等)無法相比的突出優(yōu)點 (見表1),在天然氣流量計量領(lǐng)域中，它猶如一顆耀眼的 新星，備受國內(nèi)外工程技術(shù)界的關(guān)注。往年在巴西召開的 “FOLMEKO2000第十屆流量測量國際學(xué)術(shù)討論會”上， 重點討論了超聲波流量計，該方面的論文數(shù)占論文總數(shù)的 29.4%,接近1/3;而歷屆討論最多的有關(guān)差壓式的論文數(shù) 僅占17.6%,不再成為熱點。從發(fā)展趨勢來看，由于超聲波 流量計具有精確度高、性能穩(wěn)定可靠、量程比大、管道中 無檢測件等特點，在工程應(yīng)用及國際貿(mào)易中，大有后來居 上取代傳統(tǒng)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(mào) 易輸送系統(tǒng)的計量儀表。

據(jù)了解，我國也正對此進行技術(shù)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(jīng)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首選儀表。據(jù)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(shù)，初步估計，管道為DN150~DN1000的大中型天然氣輸 配計量站約數(shù)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(chǎn)廠商來說，真是千載難逢。

3.流速測量原理

目前用超聲波法來測氣體流量，時差法幾乎是唯一 的選擇。時差法是目前氣體超聲波流量計應(yīng)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(tǒng)三個部分組成。超聲波發(fā)射換能器 發(fā)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(jīng)過放大、濾波處理后轉(zhuǎn)換為電信號，供積算系統(tǒng) 積算，最終實現(xiàn)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(xiàn)高精度，但由于工業(yè)現(xiàn)場接收信號 弱、環(huán)境噪聲強等不利因素，該目標往往難以實現(xiàn)。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(fā)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AAm—聲道上的平均流速

9—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, 時間為：

tab=L/(C-Vmcos9)

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(guān)，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(yīng)用到測量氣體流量當(dāng)時還有困難。近幾年來由于 集成電路的飛速發(fā)展，可以精確測量極其微小的時間差(達

10-9s~10-12s),才使其得以進人實用階段。目前對時差的處 理電路有PLL(鎖向環(huán)路)、TLL(時間鎖定環(huán)路)及LEFM(波 前沿時間差法)等。

4.流量測量原理

流量應(yīng)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(shù)K予以修正，K=Vm/V。系數(shù)K取決于流體的雷諾數(shù) Re,在管道內(nèi)充分發(fā)展的紊流條件下：

當(dāng)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(tài)修正。

當(dāng)管道的直管段不夠長時，管內(nèi)的流速分布不能形成 充分發(fā)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。

5.工程應(yīng)用

5.1技術(shù)特點

時差式氣體超聲波流量計現(xiàn)已成為當(dāng)今氣體流量(特別是高壓、大口徑)計量的首選儀表，它的特點如下：

適用于大口徑管道測量，口徑范圍75mm ~1200mm, 最大口徑可達1600mm;

精確度一般優(yōu)于土 0.5%,重復(fù)性可達± 0.1%;

量程比很寬，可達300 : 1以上；

所需上下游直管段較短，上游為10D,下游為3D;

無可動部件，使用安全、可靠；

換能器輕巧，所占空間小，安裝維護方便；

無壓損，為節(jié)能產(chǎn)品，可降低輸氣管道增壓費用；

可進行雙向流量測量；

不測質(zhì)量流量；

不受渦流及橫截面流速分布變化的影響；

可精確測量脈動流；

不受溫度、壓力、氣體組分變化的影響；

不受沉淀物、濕氣的影響；

可在不斷流、帶壓狀態(tài)下更換換能器；

具有自檢、自診斷功能；

管內(nèi)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(xié)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(yīng)商在貿(mào)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(jù)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?；鶞史ㄊ峭ㄟ^ 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(lián)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(shù)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。

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(jīng) 驗且剖有成效，而超聲流量計也無法轉(zhuǎn)動部件，可以借鑒 孔板的干標。其方法如下：

幾何尺寸測定：精密測量流量計殼體內(nèi)部幾何尺 寸，是干標法的基礎(chǔ)。

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(wěn)定。

組態(tài)調(diào)整：測試調(diào)整聲道角度和聲程。

零流量檢測：零流量時，流量計的時差應(yīng)等于零， 管道口徑愈大，零流量漂移應(yīng)愈小。

聲速計算：通過計算機和相關(guān)軟件，計算不同組分 下氣體的聲速。

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(shù)字技術(shù)的進步，超聲波流量計的發(fā)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，在國際上能將超聲波技術(shù) 成功應(yīng)用于測氣體流量，并推出產(chǎn)品且占有一定市場的， 估計不超過10家。處于領(lǐng)先地位的有荷蘭的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(xué)院合肥分院與四川石油 設(shè)計院聯(lián)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(fā)推出了 CQJ-IA型氣體超 聲波流量計，但至今還未成功地應(yīng)用于現(xiàn)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(shù)性能(所 列數(shù)據(jù)僅供參考，如有改變，以廠家所報最新數(shù)據(jù)為準)。

6.2工程應(yīng)用

超聲波流量計以其優(yōu)異的技術(shù)性能可用于天然氣計 量。當(dāng)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(yè)內(nèi)專家認為， 在選用上還應(yīng)注意以下問題：

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(xiàn)的問題，還需要一個熟悉過程。選用不宜過 熱，應(yīng)采取穩(wěn)步、謹慎的態(tài)度。

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(nèi)儀表工程界應(yīng)盡早國產(chǎn)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。

應(yīng)根據(jù)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(mào)易的依據(jù)，僅供內(nèi)部 產(chǎn)量參考，則可選用價格便宜，安裝方便但精確度較差的均優(yōu)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(shù)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(yōu)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(huán)水、除鹽水等水計量上，并取得了較為準確的計量 效果。

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。

影響超聲波流量計準確度的技術(shù)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 最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(huán)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(jié)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(shù)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(xué)和準 確的依據(jù)。