牛之演 高飛

棗莊市標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究中心 山東棗莊 277000

測(cè)量差值管理是氣體流體計(jì)算中的一項(xiàng)重要工作。首先介紹了超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理，對(duì)超聲波流量計(jì)的測(cè)量范圍、安裝要求和故障檢測(cè)進(jìn)行了描述和研究。同時(shí)，為了獲得更好的流量計(jì)整體維護(hù)和使用效果，在實(shí)際使用過(guò)程中，全面了解相關(guān)問(wèn)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(jì)測(cè)量精度的主要原因

1.1 噪聲對(duì)正確性的影響

根據(jù)超聲波氣體流量計(jì)對(duì)天然氣流量的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)測(cè)量介質(zhì)存在噪聲時(shí)，會(huì)影響超聲波氣體流量計(jì)的精度。噪音的產(chǎn)生主要有通過(guò)管道的高速氣流、整流器、環(huán)境噪音、氣流通過(guò)閥門(mén)等噪音，所以利用超聲波氣體流量計(jì)控制上游閥門(mén)的節(jié)流，隨著流量的增加，節(jié)流的聲音也越來(lái)越大。因此，超聲波氣體流量計(jì)的使用需要考慮噪音。在上游閥門(mén)節(jié)流時(shí)，超聲波氣體流量計(jì)的信號(hào)噪聲比較低，主要是超聲波氣體流量計(jì)上游閥門(mén)節(jié)流時(shí)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(jì)的工作頻率時(shí)，降低超聲波氣體流量計(jì)的信噪比影響超聲波氣體流量計(jì)的測(cè)量精度[2]。

1.2 溫度、壓力測(cè)量精度的影響

超聲波流量計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)一般由流量計(jì)、壓力發(fā)射器、溫度發(fā)射器、流量計(jì)及在線(xiàn)組分析器構(gòu)成，通過(guò)輸入壓力、溫度流量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以直接將流量計(jì)的流量轉(zhuǎn)換為貿(mào)易計(jì)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(jì)測(cè)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(duì)流量計(jì)的影響

流速沿著軸均勻分布的流動(dòng)可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，管道閥門(mén)和空間供應(yīng)商等也會(huì)影響天然氣的速度分布，從而給測(cè)量的準(zhǔn)確性帶來(lái)很大的差異，因此在流量計(jì)的下游設(shè)置足夠長(zhǎng)的直管段促進(jìn)天然氣狀態(tài)的對(duì)稱(chēng)性和速度的有效分布。例如，超聲波氣體流量計(jì)的通道分布是根據(jù)管道截面分成4個(gè)通道。氣體超聲流量計(jì)可以測(cè)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(jì)

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

2.1 渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)的旋轉(zhuǎn)速率隨著流量的變化而改變。一般在流速越大時(shí)，動(dòng)能越大，渦輪轉(zhuǎn)速也越高，因此實(shí)際上屬于一種速度差原理流量計(jì)。在應(yīng)用過(guò)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(duì)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(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)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(jì)

從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，孔板流量計(jì)主要?jiǎng)澐譃榱髁匡@示器以及節(jié)流裝置等部分。該流量計(jì)的具體原理是：氣體流量和壓差存在正比關(guān)系，只要測(cè)量節(jié)流孔前后的壓差，即可對(duì)介質(zhì)流動(dòng)信息進(jìn)行分析。該流量計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在性?xún)r(jià)比高、使用年限久以及操作簡(jiǎn)單等方面，廣泛應(yīng)用到了實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域中。但其缺點(diǎn)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(guò)程中，會(huì)有較大因腐蝕、磨損、油污和壓力損失等情況造成的測(cè)量誤差。

2.3 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是根據(jù)時(shí)差法原理設(shè)計(jì)的一種流體流量測(cè)量?jī)x器，采用先進(jìn)的多脈沖技術(shù)和信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)。超聲波流量計(jì)的安裝方式采用非接觸式安裝測(cè)量，具有無(wú)需與被測(cè)流體接觸，產(chǎn)生明火的可能性低的優(yōu)點(diǎn)，再加上它對(duì)各種工業(yè)場(chǎng)所的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，所以這種流量計(jì)成為目前氣體流量測(cè)量中最合適、普及性最強(qiáng)的測(cè)量?jī)x表。

3 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)采用時(shí)差法進(jìn)行流量測(cè)量，其工作原理如圖1所示。利用兩個(gè)相對(duì)的傳感器發(fā)送和接收超聲波。每個(gè)傳感器都具有信號(hào)傳輸和信號(hào)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(gè)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(gè)傳感器之間的傳播時(shí)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(shí)間的凈時(shí)間差與流速數(shù)值成正比。由于時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)中不存在固有的慣性，因此時(shí)差流量計(jì)具有較強(qiáng)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(jì)工作原理圖

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

順流傳播時(shí)間：

逆流傳播時(shí)間：

由式上述順流時(shí)間和逆流時(shí)間可推導(dǎo)出正逆程時(shí)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(shí)間；t2為逆流時(shí)間；L代表傳播路徑；θ為傳播路徑與水平夾角。

4 流量計(jì)安裝和使用注意事項(xiàng)

4.1 安裝要求

①超聲波流量計(jì)傳感器必須在管道處于非工作狀態(tài)時(shí)安裝，具體安裝時(shí)需要對(duì)兩條支線(xiàn)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(guò)1%。③超聲波流量計(jì)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?；蚩諝飧蓴_。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(jì)安裝需要在無(wú)阻力部分，前后避開(kāi)阻力構(gòu)件如（彎頭、閥門(mén)、變徑處）。⑥換能器安裝處和管道壁反射處必須避開(kāi)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(jī)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(cè)量的精度[5]。

4.2 使用注意事項(xiàng)

超聲波以其可靠性高、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，在大流量氣體的測(cè)量中占有重要地位。但要充分發(fā)揮其計(jì)量?jī)?yōu)勢(shì)，在應(yīng)用過(guò)程中必須充分考慮環(huán)境因素對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響。因此，在使用過(guò)程中除了需要滿(mǎn)足國(guó)家頒布的《GB/T18604-2014用氣體超聲流量計(jì)測(cè)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(duì)測(cè)量的影響。①流量計(jì)的流量測(cè)量范圍由被測(cè)氣體的實(shí)際流速確定。不同的氣體介質(zhì)其實(shí)際流速也有所區(qū)別，例如我們熟知的天然氣。一般來(lái)說(shuō)，天然氣的典型流量范圍為0.3m/s-30m/s，用戶(hù)應(yīng)驗(yàn)證超聲波流量計(jì)規(guī)定的使用范圍是否能滿(mǎn)足被測(cè)氣體流量的測(cè)量要求。②受到諸多外部因素的影響，超聲波流量計(jì)在工作過(guò)程中可能會(huì)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(huì)降低傳輸?shù)男屎途?，最終測(cè)量的流量結(jié)果準(zhǔn)確性降低。因此在具體設(shè)計(jì)與安裝過(guò)程中需要考慮到上述因素，使得流場(chǎng)條件保持較高的穩(wěn)定性。③受生產(chǎn)技術(shù)和運(yùn)輸?shù)仍虻挠绊?，被測(cè)氣體中或多或少的會(huì)含有一些污染物。如果這些氣體進(jìn)入到流量計(jì)中，則在一段時(shí)間之后必然會(huì)有雜質(zhì)聚積在探頭等位置，降低管道內(nèi)徑減小，流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果會(huì)受到一定的影響，真實(shí)數(shù)值以及測(cè)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(shí)需要保證測(cè)量氣體的質(zhì)量，避免含有較多的污染物。在檢測(cè)流量計(jì)過(guò)程中需要采用先進(jìn)的檢測(cè)工具，明確流量計(jì)內(nèi)部的雜質(zhì)情況，采取合適的方式及時(shí)清理，避免影響到最終的測(cè)量結(jié)果[6]。④必須重視超聲流量計(jì)的維護(hù)與檢測(cè)工作，檢測(cè)聲道的故障情況，針對(duì)存在的異常問(wèn)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(duì)其他的部件進(jìn)行檢測(cè)分析。一般需要每年對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢定，檢定周期最大為2年，否則無(wú)法保證其處于正常的工作狀態(tài)。

5 對(duì)超聲波流量計(jì)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(jì)的檢定資格。其中，關(guān)于相應(yīng)的實(shí)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(jì)的應(yīng)用范圍，控制在0.3-10.0MPa，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的國(guó)際先進(jìn)矩陣。

另外，根據(jù)超聲波流量計(jì)相關(guān)的檢定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)以前測(cè)定過(guò)程中流量計(jì)中發(fā)生的自我診斷、警報(bào)及檢查修理等進(jìn)行文字或數(shù)字記錄，為流量計(jì)今后的使用提供依據(jù)必須充分延長(zhǎng)流量計(jì)的使用次數(shù)和壽命。目前，各研究機(jī)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(xiàn)檢查期間的各個(gè)檢查成本。

6 天然氣管中超聲波氣體流量計(jì)的應(yīng)用期間的注意事項(xiàng)

超聲波氣體流量計(jì)可以測(cè)量天然氣流量，促進(jìn)其優(yōu)點(diǎn)的合理實(shí)現(xiàn)，因此在使用過(guò)程中必須注意問(wèn)題點(diǎn)。

6.1 選定業(yè)務(wù)的執(zhí)行

超聲波氣體流量計(jì)的產(chǎn)品種類(lèi)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(jì)時(shí)，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(jì)的上游直管段和下游直管段都需要滿(mǎn)足一定的要求。一般來(lái)說(shuō)，在上游直管段中，超聲波氣體流量計(jì)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(jì)實(shí)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(jì)的設(shè)置需要比上下水道管道低。對(duì)于存在的固體粉塵的天然氣，需要在超聲波氣體流量計(jì)的上游設(shè)置濾波器，使轉(zhuǎn)換器的表面沒(méi)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(jì)期間，實(shí)現(xiàn)的維護(hù)工作還很少，無(wú)法確保使用的合理性。主要受氣質(zhì)條件的影響，測(cè)定的場(chǎng)合不好。因此，清掃超聲波氣體流量計(jì)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(duì)超聲波氣體流量計(jì)的各部件進(jìn)行檢查，分析是否有泄漏現(xiàn)象，檢查所有線(xiàn)路的連接是否合理，保證零流量測(cè)量的正確性。

6.4 診斷測(cè)試作業(yè)的適時(shí)性

超聲波氣體流量計(jì)在使用中發(fā)生流量突然變異時(shí)，利用串聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)方式與校核進(jìn)行比較，分析超聲波氣體流量計(jì)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(shí)，可以使用相關(guān)的診斷軟件分析轉(zhuǎn)換器的動(dòng)作參數(shù)，確認(rèn)其存在的參數(shù)值是否正確。對(duì)于幾個(gè)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(jì)，隨時(shí)固定安裝期間進(jìn)行一定的校正[8]。

7 結(jié)語(yǔ)

為了有效地解決傳統(tǒng)接觸式流量測(cè)量器中存在的一些問(wèn)題，超聲波流量計(jì)近年來(lái)主要應(yīng)用于氣體管流量測(cè)量。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，選擇流量計(jì)必須考慮測(cè)量精度和誤差等多方面的因素。另外，還需要考慮價(jià)格、使用便利性、維護(hù)費(fèi)用、測(cè)量介質(zhì)等要素，選擇最佳的流量計(jì)。隨著超聲波流量計(jì)的研究的進(jìn)行，相關(guān)技術(shù)和設(shè)備應(yīng)該會(huì)更加成熟。