牛之演 高飛

棗莊市標(biāo)準(zhǔn)計量研究中心 山東棗莊 277000

測量差值管理是氣體流體計算中的一項重要工作。首先介紹了超聲波流量計的測量原理，對超聲波流量計的測量范圍、安裝要求和故障檢測進(jìn)行了描述和研究。同時，為了獲得更好的流量計整體維護(hù)和使用效果，在實際使用過程中，全面了解相關(guān)問題，為其在行業(yè)中的應(yīng)用提供一定的參考[1]。

1 影響超聲波流量計測量精度的主要原因

1.1 噪聲對正確性的影響

根據(jù)超聲波氣體流量計對天然氣流量的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)測量介質(zhì)存在噪聲時，會影響超聲波氣體流量計的精度。噪音的產(chǎn)生主要有通過管道的高速氣流、整流器、環(huán)境噪音、氣流通過閥門等噪音，所以利用超聲波氣體流量計控制上游閥門的節(jié)流，隨著流量的增加，節(jié)流的聲音也越來越大。因此，超聲波氣體流量計的使用需要考慮噪音。在上游閥門節(jié)流時，超聲波氣體流量計的信號噪聲比較低，主要是超聲波氣體流量計上游閥門節(jié)流時產(chǎn)生高頻超聲波的原因。當(dāng)該聲波的頻率接近超聲波氣體流量計的工作頻率時，降低超聲波氣體流量計的信噪比影響超聲波氣體流量計的測量精度[2]。

1.2 溫度、壓力測量精度的影響

超聲波流量計的測量系統(tǒng)一般由流量計、壓力發(fā)射器、溫度發(fā)射器、流量計及在線組分析器構(gòu)成，通過輸入壓力、溫度流量計算機系統(tǒng)可以直接將流量計的流量轉(zhuǎn)換為貿(mào)易計量標(biāo)準(zhǔn)參照條件的體積量。因此，為了確保超聲波流量計測量系統(tǒng)的精度，必須保證壓力和溫度的準(zhǔn)確性。

1.3 流量對流量計的影響

流速沿著軸均勻分布的流動可以提高測量的準(zhǔn)確性，管道閥門和空間供應(yīng)商等也會影響天然氣的速度分布，從而給測量的準(zhǔn)確性帶來很大的差異，因此在流量計的下游設(shè)置足夠長的直管段促進(jìn)天然氣狀態(tài)的對稱性和速度的有效分布。例如，超聲波氣體流量計的通道分布是根據(jù)管道截面分成4個通道。氣體超聲流量計可以測量各通道的流速，并保持管道中的氣體流速。

2 常用氣體流量計

目前，工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易計算中常用的氣體流量計包括三種類型，分別是超聲波、渦輪、孔板流量計，三種產(chǎn)品的具體介紹如下所示。

2.1 渦輪流量計

渦輪流量計的旋轉(zhuǎn)速率隨著流量的變化而改變。一般在流速越大時，動能越大，渦輪轉(zhuǎn)速也越高，因此實際上屬于一種速度差原理流量計。在應(yīng)用過程中需要先將流速轉(zhuǎn)換成渦輪轉(zhuǎn)速，在此基礎(chǔ)上得到對應(yīng)的電磁脈沖。最后基于得到的脈沖數(shù)能夠得到流量信息。該氣體流量計的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在流量大，準(zhǔn)確性高等方面。但是容易受到雜質(zhì)的影響，降低其應(yīng)用的可靠性[3]。

2.2 孔板流量計

從結(jié)構(gòu)上來看，孔板流量計主要劃分為流量顯示器以及節(jié)流裝置等部分。該流量計的具體原理是：氣體流量和壓差存在正比關(guān)系，只要測量節(jié)流孔前后的壓差，即可對介質(zhì)流動信息進(jìn)行分析。該流量計的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在性價比高、使用年限久以及操作簡單等方面，廣泛應(yīng)用到了實際生產(chǎn)領(lǐng)域中。但其缺點也較多，例如其重復(fù)性不高、量程窄、壓力損失大等。在使用過程中，會有較大因腐蝕、磨損、油污和壓力損失等情況造成的測量誤差。

2.3 超聲波流量計

超聲波流量計是根據(jù)時差法原理設(shè)計的一種流體流量測量儀器，采用先進(jìn)的多脈沖技術(shù)和信號數(shù)字處理技術(shù)。超聲波流量計的安裝方式采用非接觸式安裝測量，具有無需與被測流體接觸，產(chǎn)生明火的可能性低的優(yōu)點，再加上它對各種工業(yè)場所的環(huán)境適應(yīng)能力強，所以這種流量計成為目前氣體流量測量中最合適、普及性最強的測量儀表。

3 超聲波流量計測量原理

超聲波流量計采用時差法進(jìn)行流量測量，其工作原理如圖1所示。利用兩個相對的傳感器發(fā)送和接收超聲波。每個傳感器都具有信號傳輸和信號接收功能。將超聲脈沖能量以一定的角度在管壁內(nèi)的兩個傳感器與流體之間傳遞；流體的流速將在一定程度上影響了超聲脈沖在兩個傳感器之間的傳播時間。從上游傳感器到下游傳感器，聲速和流體速度混合并變快。從下游傳感器到上游傳感器，聲速抵消了流體速度，變慢。上下游傳播時間的凈時間差與流速數(shù)值成正比。由于時差測量系統(tǒng)中不存在固有的慣性，因此時差流量計具有較強的靈敏度，也適用于低流量和低流速情況[4]。

圖1 超聲波流量計工作原理圖

只有一個通道的流量計稱為單聲道氣體超聲流量計，有兩個或兩個以上通道的流量計稱為多通道氣體超聲流量計。當(dāng)超聲換能器直接與氣體接觸時，稱為插入式超聲流量計；當(dāng)超聲換能器與氣體不直接接觸時，稱為夾鉗式超聲流量計。

順流傳播時間：

逆流傳播時間：

由式上述順流時間和逆流時間可推導(dǎo)出正逆程時間差：

最終我們可以得到氣體的平均流速為：

式中：

t1為順流時間；t2為逆流時間；L代表傳播路徑；θ為傳播路徑與水平夾角。

4 流量計安裝和使用注意事項

4.1 安裝要求

①超聲波流量計傳感器必須在管道處于非工作狀態(tài)時安裝，具體安裝時需要對兩條支線進(jìn)行交替切換。②確保傳感器安裝單元的尺寸與管徑一致，上下誤差不得超過1%。③超聲波流量計傳感單元應(yīng)安裝在水平方向45°的范圍內(nèi)，可以有效避免換能器聲波表面受顆粒或空氣干擾。④上下游應(yīng)保證有必要的直管段，上游直管段最少10D，下游直管段至少為5D。⑤超聲波流量計安裝需要在無阻力部分，前后避開阻力構(gòu)件如（彎頭、閥門、變徑處）。⑥換能器安裝處和管道壁反射處必須避開接口和焊縫。⑦換能器安裝必須達(dá)到一定的要求，特別是管道襯里、垢層需要達(dá)到厚度要求，避免二者之間存在間隙。重視管道內(nèi)壁銹跡的清潔工作，采用合適的方式進(jìn)行清理。⑧換能器工作表面與管式輸送機管壁之間應(yīng)選擇合適的耦合劑，防止有其他的傳播介質(zhì)進(jìn)入而降低測量的精度[5]。

4.2 使用注意事項

超聲波以其可靠性高、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點，在大流量氣體的測量中占有重要地位。但要充分發(fā)揮其計量優(yōu)勢，在應(yīng)用過程中必須充分考慮環(huán)境因素對計量結(jié)果的影響。因此，在使用過程中除了需要滿足國家頒布的《GB/T18604-2014用氣體超聲流量計測量氣體流量》使用規(guī)定和其他一些具體操作規(guī)范的要求外，還應(yīng)充分考慮以下因素對測量的影響。①流量計的流量測量范圍由被測氣體的實際流速確定。不同的氣體介質(zhì)其實際流速也有所區(qū)別，例如我們熟知的天然氣。一般來說，天然氣的典型流量范圍為0.3m/s-30m/s，用戶應(yīng)驗證超聲波流量計規(guī)定的使用范圍是否能滿足被測氣體流量的測量要求。②受到諸多外部因素的影響，超聲波流量計在工作過程中可能會出現(xiàn)一定的誤差，如果外部干擾頻率與其工作頻率基本一致，那么會降低傳輸?shù)男屎途龋罱K測量的流量結(jié)果準(zhǔn)確性降低。因此在具體設(shè)計與安裝過程中需要考慮到上述因素，使得流場條件保持較高的穩(wěn)定性。③受生產(chǎn)技術(shù)和運輸?shù)仍虻挠绊懀粶y氣體中或多或少的會含有一些污染物。如果這些氣體進(jìn)入到流量計中，則在一段時間之后必然會有雜質(zhì)聚積在探頭等位置，降低管道內(nèi)徑減小，流量計的測量結(jié)果會受到一定的影響，真實數(shù)值以及測量結(jié)果的偏差增大。因此必須重視管道的清潔工作，將其中的雜質(zhì)進(jìn)行清除，同時需要保證測量氣體的質(zhì)量，避免含有較多的污染物。在檢測流量計過程中需要采用先進(jìn)的檢測工具，明確流量計內(nèi)部的雜質(zhì)情況，采取合適的方式及時清理，避免影響到最終的測量結(jié)果[6]。④必須重視超聲流量計的維護(hù)與檢測工作，檢測聲道的故障情況，針對存在的異常問題進(jìn)行分析和處理；清理超聲換能器表面的雜質(zhì)，此外還需要對其他的部件進(jìn)行檢測分析。一般需要每年對超聲波流量計進(jìn)行檢定，檢定周期最大為2年，否則無法保證其處于正常的工作狀態(tài)。

5 對超聲波流量計的檢定

現(xiàn)在，只有一部分單位擁有符合天然氣超聲波流量計的檢定資格。其中，關(guān)于相應(yīng)的實流檢定技術(shù)能力，基本上覆蓋了天然氣行業(yè)大部分貿(mào)易交接流量計的應(yīng)用范圍，控制在0.3-10.0MPa，實現(xiàn)了技術(shù)上的國際先進(jìn)矩陣。

另外，根據(jù)超聲波流量計相關(guān)的檢定標(biāo)準(zhǔn)，對以前測定過程中流量計中發(fā)生的自我診斷、警報及檢查修理等進(jìn)行文字或數(shù)字記錄，為流量計今后的使用提供依據(jù)必須充分延長流量計的使用次數(shù)和壽命。目前，各研究機構(gòu)還規(guī)范了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和操作規(guī)范，努力有效降低在線檢查期間的各個檢查成本。

6 天然氣管中超聲波氣體流量計的應(yīng)用期間的注意事項

超聲波氣體流量計可以測量天然氣流量，促進(jìn)其優(yōu)點的合理實現(xiàn)，因此在使用過程中必須注意問題點。

6.1 選定業(yè)務(wù)的執(zhí)行

超聲波氣體流量計的產(chǎn)品種類繁多，主要選擇管道的口徑、流量范圍，以免發(fā)生一些故障。選擇超聲波氣體流量計時，分析聲波干擾源。特別是其中的高速度、差壓設(shè)備等可以減少聲波的影響區(qū)域，保證可以降低噪音[7]。

6.2 安裝作業(yè)的有效性

超聲波氣體流量計的上游直管段和下游直管段都需要滿足一定的要求。一般來說，在上游直管段中，超聲波氣體流量計至少保持為10D，下游的直管段至少為5D。將超聲波氣體流量計實際安裝后水平安裝。另外，在含有大量天然氣的地區(qū)，超聲波氣體流量計的設(shè)置需要比上下水道管道低。對于存在的固體粉塵的天然氣，需要在超聲波氣體流量計的上游設(shè)置濾波器，使轉(zhuǎn)換器的表面沒有大量的堆積物。

6.3 定期執(zhí)行維護(hù)作業(yè)

使用超聲波氣體流量計期間，實現(xiàn)的維護(hù)工作還很少，無法確保使用的合理性。主要受氣質(zhì)條件的影響，測定的場合不好。因此，清掃超聲波氣體流量計的換能器，檢查其存在的雜質(zhì)、水垢等，使其不附著在換能器表面。另外，需要對超聲波氣體流量計的各部件進(jìn)行檢查，分析是否有泄漏現(xiàn)象，檢查所有線路的連接是否合理，保證零流量測量的正確性。

6.4 診斷測試作業(yè)的適時性

超聲波氣體流量計在使用中發(fā)生流量突然變異時，利用串聯(lián)運轉(zhuǎn)方式與校核進(jìn)行比較，分析超聲波氣體流量計發(fā)生故障后，天然氣流量是否發(fā)生變化。期間與其他流量相比時，可以使用相關(guān)的診斷軟件分析轉(zhuǎn)換器的動作參數(shù)，確認(rèn)其存在的參數(shù)值是否正確。對于幾個使用量多的地區(qū)，需要分析更加方便的外部夾緊式超聲波氣體流量計，隨時固定安裝期間進(jìn)行一定的校正[8]。

7 結(jié)語

為了有效地解決傳統(tǒng)接觸式流量測量器中存在的一些問題，超聲波流量計近年來主要應(yīng)用于氣體管流量測量。在實際的工程設(shè)計中，選擇流量計必須考慮測量精度和誤差等多方面的因素。另外，還需要考慮價格、使用便利性、維護(hù)費用、測量介質(zhì)等要素，選擇最佳的流量計。隨著超聲波流量計的研究的進(jìn)行，相關(guān)技術(shù)和設(shè)備應(yīng)該會更加成熟。