氣體超聲波流量計(jì)的工作原理及應(yīng)用
摘 要：本論文分析了影響外夾式氣體超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量計(jì)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(jì)的故障分析及處理，提出了氣體超聲波流量計(jì)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(jì)在輸氣管道現(xiàn)場應(yīng)用具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義。
1、引言：
氣體超聲波流量計(jì)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(jì)相比，氣體超聲波流量計(jì)具有運(yùn)行穩(wěn)定、易于安裝、計(jì)量準(zhǔn)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(diǎn)，是一種比較理想的節(jié)能型流量計(jì)，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(jì)在輸氣管道現(xiàn)場的運(yùn)用研究項(xiàng)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(jì)的測量原理、性能技術(shù)特點(diǎn)及軟硬件構(gòu)成進(jìn)行了細(xì)致研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，主要有:噪音對外夾式氣體超聲波流量計(jì)影響測試;外夾式氣體超聲波流量計(jì)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(jì)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(jì)的影響;直管段長度對氣體超聲波流量計(jì)的影響測試;外夾式氣體超聲波流量計(jì)與管段式氣體超聲波流量計(jì)、高級孔板閥計(jì)量系統(tǒng)流量對比測試。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)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(jìn)人實(shí)用階段約在20世紀(jì)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(jì)具有許多傳統(tǒng)流量計(jì)(孔板、渦輪、渦街……等)無法相比的突出優(yōu)點(diǎn)(見表1)，在天然氣流量計(jì)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 "FOLMEK02000第十屆流量測量學(xué)術(shù)討論會(huì)”上，重點(diǎn)討論了超聲波流量計(jì)，該方面的論文數(shù)占論文總數(shù)的29.4%，接近1/3 ;而歷屆討論多的有關(guān)差壓式的論文數(shù)僅占17.6%，不再成為熱點(diǎn)。從發(fā)展趨勢來看，由于超聲波流量計(jì)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(diǎn)，在工程應(yīng)用及貿(mào)易中，大有*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(gè)國家已批準(zhǔn)它為天然氣貿(mào)易輸送系統(tǒng)的計(jì)量儀表。 據(jù)了解，我國也正對此進(jìn)行技術(shù)推廣，制定了標(biāo)準(zhǔn)。僅以我國四大世紀(jì)工程之一的西氣東輸工程為例，經(jīng)多次流量計(jì)量論證，已將氣體超聲波流量計(jì)作為流量計(jì)量的選儀表。據(jù)估算，該項(xiàng)目一期工程對檢測控制儀表的投資將達(dá)到100億元左右。流量計(jì)量是整個(gè)工程中重要的檢測參數(shù)，初步估計(jì)，管道為DN150~DN1000的大中型天然氣輸配計(jì)量站約數(shù)百個(gè)，DN100以下的流量計(jì)量所需儀表將以萬計(jì)，流量計(jì)量投資約10億元左右。這個(gè)巨大的市場對于儀表生產(chǎn)廠商來說，真是千載難逢。
表1 流量計(jì)的性能比較
| 項(xiàng)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(dòng)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(shí)差法幾乎是唯的選擇。時(shí)差法是目前氣體超聲波流量計(jì)應(yīng)用較多的測量原理方法。氣體超聲波流量計(jì)主要由超聲波換能器組、信號處理電路和積算系統(tǒng)三個(gè)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，終實(shí)現(xiàn)流量的檢測。氣體超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測量的基本目標(biāo)是實(shí)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(qiáng)等不利因素，該目標(biāo)往往難以實(shí)現(xiàn)。 其測量原理如圖1所示，A、B是安裝在管道上的兩個(gè)換能器(Transducer)，既可發(fā)射又可接受超聲波。
圖1 時(shí)差式超聲波流量計(jì)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(fā)出的超聲波順流向到達(dá)B所需時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)方法早為人們所知，但實(shí)際應(yīng)用到測量氣體流量當(dāng)時(shí)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(shí)間差(達(dá)10-9s~10-12s)，才使其得以進(jìn)入實(shí)用階段。目前對時(shí)差的處理電路有PLL(鎖向環(huán)路)、TLL(時(shí)間鎖定環(huán)路)及LEFM(波前沿時(shí)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：
K=1.119-0.011×logRe (2)
當(dāng)流速V變化10倍時(shí)，K值將變化1%，在進(jìn)行精確測量時(shí)，必須用K對流量值進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。
當(dāng)管道的直管段不夠長時(shí)，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(jì)可采取多聲道的辦法(可采用8個(gè)換能器、4個(gè)聲道以測量整個(gè)截面的流速，如圖(2)已減少受到的影響，仍可保持高達(dá)±0.5%~±1%的精確度。
圖2 四聲道原理圖
5、工程應(yīng)用：
5.1、技術(shù)特點(diǎn)：
時(shí)差式氣體超聲波流量計(jì)現(xiàn)已成為當(dāng)今氣體流量(特別是高壓、大口徑)計(jì)量的首儀表，它的特點(diǎn)如下：
(1)適用于大口徑管道測量，口徑范圍75mm ~1200mm，大口徑可達(dá)1600mm；
(2)精確度一般優(yōu)于±0.5%，重復(fù)性可達(dá)±0.1%；
(3)量程比很寬，可達(dá)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(dòng)部件，使用安全、可靠；
(6)換能器輕巧，所占空間小，安裝維護(hù)方便；
(7)無壓損，為節(jié)能產(chǎn)品，可降低輸氣管道增壓費(fèi)用；
(8)可進(jìn)行雙向流量測量；
(9)不測質(zhì)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(dòng)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(tài)下更換換能器；
(15)具有自檢、自診斷功能；
(16)管內(nèi)無阻流件，可允許清洗球自由通過管道和流量計(jì)，清洗容易。
5.2、標(biāo)定指標(biāo)：
雖然美國燃?xì)鈪f(xié)會(huì)的AGA9號報(bào)告認(rèn)為采用超聲波流量計(jì)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(jìn)行標(biāo)定基本上都可以達(dá)到這個(gè)精確度要求。但不少天然氣供應(yīng)商在貿(mào)易計(jì)量時(shí)，為減少損失，仍希望通過標(biāo)定來提高儀表的精確度。據(jù)Edgar估計(jì)，在DN400的管道中，輸送6Mpa壓力、750M3/h流量的天然氣，如流量計(jì)誤差為了0.7%，天然氣價(jià)格按7美元/100M3計(jì)，那么每年將少收180萬美元。而標(biāo)定一臺口徑400mm的超聲流量計(jì)，每次僅需約3萬~4萬美元，幾個(gè)工作日就可回收標(biāo)定費(fèi)用。標(biāo)定方式可以有實(shí)流標(biāo)定及干標(biāo)定兩種方式。
5.3、實(shí)流標(biāo)定：
實(shí)踐證明，影響超聲波流量精確度的因素很多，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。實(shí)流標(biāo)定是提高流量計(jì)精確度行之有效的方法。實(shí)流標(biāo)定可采取基準(zhǔn)法及比對法?；鶞?zhǔn)法是通過基本的物理量作為流量的基準(zhǔn)來標(biāo)定被校流量計(jì)，如Mt法；而比對法則是將一只精確度較高的流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(zhǔn)法實(shí)施起來較為簡便，但精確度低于基準(zhǔn)法。以上兩種標(biāo)定方法，在我國成都華陽天然氣流量計(jì)量站均可進(jìn)行。
表2 超聲波流量計(jì)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(fù)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(shù)據(jù)接口RS-485/RS-232 | RS-232 /RS-485 | RS-485 /RS-232 | |
| 響應(yīng)時(shí)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(biāo)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(hù)等級 | IP65 | IP65 | IP65 |
5.4、干標(biāo)定：
實(shí)流標(biāo)定較適用于DN300mm以下口徑的流量計(jì)，而對于較大口徑的流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定不僅拆裝運(yùn)輸很繁瑣，費(fèi)用也過于昂貴，而且實(shí)際上未必有這么大的標(biāo)定裝置。鑒于過去幾十年來對孔板流量計(jì)實(shí)行干標(biāo)，取得了不少經(jīng)驗(yàn)且剖有成效，而超聲流量計(jì)也無法轉(zhuǎn)動(dòng)部件，可以借鑒孔板的干標(biāo)。其方法如下：
(1)幾何尺寸測定：精密測量流量計(jì)殼體內(nèi)部幾何尺寸，是干標(biāo)法的基礎(chǔ)。
(2)功能測試：將換能器裝入主體接入電路，對流量計(jì)功能進(jìn)行測試，確保其工作穩(wěn)定。
(3)組態(tài)調(diào)整：測試調(diào)整聲道角度和聲程。
(4)零流量檢測：零流量時(shí)，流量計(jì)的時(shí)差應(yīng)等于零，管道口徑愈大，零流量漂移應(yīng)愈小。
(5)聲速計(jì)算：通過計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件，計(jì)算不同組分下氣體的聲速。
(6)聲程標(biāo)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(jìn)步，超聲波流量參考，則可選用價(jià)格便宜，安裝方便但精確度較差的均速流量計(jì)；而在較小的口徑(如小于DN100)，超聲波的技術(shù)計(jì)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(huì)(MICONEX)”上，超聲波流量計(jì)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(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(jì)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(gè)公司都已進(jìn)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(jì)院聯(lián)合研制氣體超聲波流量計(jì)，在1986年曾進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)；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(jì)，但至今還未成功地應(yīng)用于現(xiàn)場。表2所列為已進(jìn)入我國市場的3家國外公司超聲波流量計(jì)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(bào)數(shù)據(jù)為準(zhǔn))。
6.2、工程應(yīng)用：
超聲波流量計(jì)以其優(yōu)異的技術(shù)性能可用于天然氣計(jì)量。當(dāng)前，在我國的西氣東輸、四川天然氣計(jì)量改造等項(xiàng)目中，選用它作為計(jì)量儀表已成事實(shí)。但業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，在選用上還應(yīng)注意以下問題：
(1)氣體超聲波流量計(jì)是近年來推出的新型儀表，對使用中會(huì)出現(xiàn)的問題，還需要一個(gè)熟悉過程。選用不宜過熱，應(yīng)采取穩(wěn)步、謹(jǐn)慎的態(tài)度。
(2)目前氣體超聲波流量計(jì)均來自國外，且價(jià)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。
(3)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(biāo)。如干線的流量不可作為貿(mào)易的依據(jù)，僅供內(nèi)部產(chǎn)量勢并不突出，價(jià)格仍較貴，則可選用價(jià)格較低，精確度適中的渦輪流量計(jì)，或低速性能較好的旋進(jìn)式漩渦流量計(jì)。
7、技術(shù)探討：
從化工總廠的水計(jì)量逐漸使用超聲波流量計(jì)。由于超聲波流量計(jì)的顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其對較粗管線(DN80以上)而言，安裝方便，整體投入費(fèi)用小，因此廣泛地使用在該廠的循環(huán)水、除鹽水等水計(jì)量上，并取得了較為準(zhǔn)確的計(jì)量效果。
(1)超聲波流量計(jì)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(shí)間差與流體的流速成正比，因此只要測量出超聲波在兩個(gè)方向上傳播的時(shí)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(jì)準(zhǔn)確度的技術(shù)因素按照測量原理劃分，超聲波流量計(jì)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(shí)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(jì)中，基本上采用的都是時(shí)間差法。
8、結(jié)束語：
超聲波流量計(jì)作為一種流量計(jì)量儀表，只要在安裝、使用和維護(hù)方面注意一些基本的技術(shù)問題，可以達(dá)到準(zhǔn)確測量和計(jì)量的目的，從而為提高計(jì)量平衡率提供科學(xué)和準(zhǔn)確的依據(jù)。
