超聲波流量計(jì)工作原理和減小計(jì)量誤差方法

超聲波流量計(jì)的應(yīng)用可謂是很廣泛的設(shè)備之一，但是有不少人對(duì)其原理和安裝及誤差判別不是很了解，特別是安裝，上海上自儀公司經(jīng)常不看說(shuō)明書(shū)和視頻就說(shuō)不會(huì)，甚至直接安裝導(dǎo)致錯(cuò)誤使用。本文介紹了固定外夾式超聲波流量計(jì)的基本原理、計(jì)算方法以及誤差原因，根據(jù)超聲波流量計(jì)的工作原理，介紹了10 種減小計(jì)量誤差的方法。以四川某氣田 X 集氣站外輸流量計(jì)量低于實(shí)際產(chǎn)量為例，使用抗噪膜提高計(jì)量精度技術(shù)方法，有效解 決現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量問(wèn)題。

1 概述

固定外夾式超聲波流量計(jì)具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便，只需 將傳感器按規(guī)定方式夾在管道上就可以測(cè)量，無(wú)需破管道，而 且測(cè)量精度比較準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用氣田集輸、凈化等領(lǐng)域。通過(guò)掌 握其工作原理，使用和安裝方法對(duì)高含硫天然氣的計(jì)量非常重要。

2 超聲波計(jì)量工作原理

2.1 基本原理

超聲波流量計(jì)是基于流體流動(dòng)過(guò)程中對(duì)其內(nèi)部聲波信號(hào)產(chǎn)生影響，并通過(guò)檢查聲波信號(hào)的變化來(lái)獲取流量信息。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)處于不同的流速狀態(tài)時(shí)，超聲波脈沖在其內(nèi)部的傳播速度相對(duì)固定的坐標(biāo)系統(tǒng)（如儀表殼體）是不同的，傳播速度的變化量和介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)?，F(xiàn)有的超聲波計(jì)量方法 可以分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相關(guān)法以及噪 聲法等類型[1]。

其中，傳播速度差法采用了超聲波脈沖順流和逆流傳播時(shí)速度之差來(lái)反映流體的流速，實(shí)現(xiàn)測(cè)量流速的目的，被廣泛應(yīng) 用于油氣集輸、凈化等領(lǐng)域。該測(cè)量方法常用的現(xiàn)場(chǎng)安裝方法如圖 1 所示，包括 V 法、X 法以及 Z 法。

氣體的超聲流量測(cè)量存在傳播衰減大、信號(hào)不穩(wěn)定、信噪 比低、聲透射率不穩(wěn)定、聲學(xué)噪聲干擾等影響，流量計(jì)計(jì)量精 度、穩(wěn)定性、重復(fù)性等指標(biāo)不確定性增大，四川某氣田現(xiàn)場(chǎng)采用 Z 法（直射法）的安裝方式，降低超聲波信號(hào)的衰減程度，提高計(jì)量準(zhǔn)確性。

2.2 計(jì)算方法

給出了超聲波流量計(jì) Z 法安裝方式的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，安裝 角 φ 是 Tx1 和 Tx2 兩個(gè)換能器相對(duì)于管道軸線的夾角，管徑為D。

超聲波的實(shí)際傳播速度 c 是聲速 c0 和流體在聲道方向上的速度分量 υcosφ 的和：

超聲信號(hào)在流體中向上游和向下游的傳播時(shí)間可以通過(guò)公式（2）（3）給出：式（2）（3）進(jìn)行整理可以得到以下關(guān)系：

根據(jù)公式（6）可以獲得超聲脈沖傳播路徑上的流體線平均 流速 v，獲得體積流量還需要進(jìn)一步換算。為了確定整個(gè)管道橫截面上的流體平均軸向流動(dòng)速度，就需要知道流量修正系數(shù) Kh，系數(shù) Kh 是通過(guò)在流量計(jì)管段內(nèi)的速度分布剖面導(dǎo)出，由此獲得流量計(jì)聲道上的平均流速和整個(gè)管道的面平均流速的關(guān) 系：

2.3 誤差原因

根據(jù)超聲波流量計(jì)的計(jì)量原理及計(jì)算公式以及測(cè)量不確 定度分析，從誤差源的性質(zhì)和發(fā)生原因[2- 3]可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）超聲傳播時(shí)延估計(jì)使用的時(shí)間基準(zhǔn)誤差。

（2）超聲的實(shí)際傳播長(zhǎng)度誤差。

（3）安裝效應(yīng)導(dǎo)致面平均流速測(cè)量誤差。

（4）信號(hào)失真導(dǎo)致的流場(chǎng)信息獲取不準(zhǔn)確。

3 超聲波流量計(jì)減小誤差的方法

（1） 測(cè)量位置應(yīng)選在探頭上游大于 10D 和下游大于 5D，充 滿液體的直管段處；雙彎管和半開(kāi)閥需要更多直管段；對(duì)于外夾式氣體系統(tǒng)，建議非常小采用 20 倍的上游直管段[4]。

（2）測(cè)量點(diǎn)選擇應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離泵、閥門(mén)等設(shè)備，避免干擾。因 要盡可能測(cè)量平直流體，避免紊流帶來(lái)的測(cè)量誤差。

（3）傳感器在水平管線上安裝時(shí)，應(yīng)與垂直線有非常小 20° 的夾角。以避免氣體在管道頂部聚集時(shí)產(chǎn)生的波束干擾[5]。

（4）避免在雷諾數(shù)過(guò)渡區(qū)測(cè)量，當(dāng) 1000<Re<5000 可以獲得 非常好精度。

（5）測(cè)量點(diǎn)處應(yīng)無(wú)焊縫，無(wú)振動(dòng)及無(wú)電磁干擾源等；提供測(cè) 試管道設(shè)計(jì)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)用卡尺或鋼卷尺和超聲波測(cè)厚儀對(duì)管道外徑及壁厚進(jìn)行復(fù)核，為減小誤差，管道外徑及壁厚應(yīng)進(jìn)行多 點(diǎn)測(cè)量后取其平均值。

（6）管路管材應(yīng)均勻密實(shí)，易于超聲波傳播。

（7） 必須把待安裝換能器的金屬管道表面打磨 3 倍探頭面 積，去掉銹跡油漆，使管壁表面光滑平整，露出管道金屬的原有表面并保持原有弧度。

（8）氣體超聲波流量計(jì)與液體超聲波流量計(jì)相比，測(cè)量信號(hào)更容易受到噪音信號(hào)干擾，如果信噪比在 10:1 以下，就無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量[6]。因此在將換能器固定在管道上前，為減小管道噪音信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，應(yīng)在管道外壁粘貼氣體耦合劑薄膜，貼時(shí)應(yīng)盡量減少氣泡的產(chǎn)生，防止空氣、沙塵和銹跡進(jìn)入；如產(chǎn)生氣泡應(yīng)將氣泡弄破，釋放出氣體。

（9）充分考慮管內(nèi)硫沉積，結(jié)垢和腐蝕等狀況，盡可能選擇管內(nèi)無(wú)沉積物，無(wú)腐蝕的管段進(jìn)行測(cè)量。

（10）夾具應(yīng)固定在換能器的中心部分，使之不易滑動(dòng)。

4 抗噪膜技術(shù)應(yīng)用

由于四川某氣田 X 集氣站管道材質(zhì)不均勻，造成超聲波反 射和散射形成雜波而產(chǎn)生噪音，嚴(yán)重影響測(cè)量信噪比，導(dǎo)致計(jì) 量誤差大，現(xiàn)場(chǎng)顯示數(shù)據(jù)比實(shí)際產(chǎn)氣量偏低?？乖肽ぃɑ蚍Q阻尼 膜）技術(shù)能過(guò)濾反射波，保留透射波，有效去除噪音，提高信噪 比，并且對(duì)管壁無(wú)影響，是一種提高計(jì)量精度的高效方法。

4.1 抗噪膜厚度計(jì)算

抗噪膜的厚度以四分之一超聲波波長(zhǎng)選擇，對(duì)應(yīng)頻率采用 探頭的中間頻率為 144，諧振頻率 32/144 =0.222 MHZ，波長(zhǎng)λ 表達(dá)式為：聲速在抗噪膜的數(shù)值為 1838160 mm/s，可以計(jì)算的得到超 聲波波長(zhǎng)為 8.28mm 那么抗噪膜的厚度按 1/4 波長(zhǎng)來(lái)選擇，則抗噪膜的厚度為 2.07mm。 以 CC129 參數(shù)規(guī)范，每張抗噪膜的厚度是 0.027inches，換 算單位后約為 0.69mm，因此在該工況條件下需要使用 3 張抗噪膜，能夠?qū)崿F(xiàn)有效降低噪音影響。

4.2 應(yīng)用效果

以四川某氣田 X 集氣站外輸流量為例，安裝抗噪膜前信噪 比為 5:1，瞬時(shí)流量為 15.2 萬(wàn)方 / 天，信噪比低于 10:1 的計(jì)量要 求，并且測(cè)得流量與實(shí)際不相符。添加 3 層 CC129 抗噪膜后信號(hào)強(qiáng)度得到增加，信噪比提高至 43，外輸流量顯示為29.5 萬(wàn)方 / 天，該氣量符合生產(chǎn)實(shí)際。

5 結(jié)論

超聲波流量計(jì)利用聲波傳播速度與流體流速存在矢量疊 加關(guān)系，上海上自儀公司通過(guò)檢測(cè)聲波信號(hào)的變化來(lái)獲取流量信息，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確計(jì)量流量，但由于安裝問(wèn)題、、工況條件等因素使得信 號(hào)失真，導(dǎo)致計(jì)量誤差較大。