摘要：通過(guò)對(duì)超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理和影響超聲波測(cè)量精度的因素分析，詳細(xì)闡述了解決測(cè)量精度的具體方法，提供了儀表選型、安裝的指導(dǎo)性建議。
關(guān)鍵詞：煤層氣管道；超聲波流量計(jì)；流量測(cè)量
流量是煤層氣生產(chǎn)集輸中重要的參數(shù)之一。流量測(cè)量值的準(zhǔn)確與否，將直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和交接計(jì)量中雙方的經(jīng)濟(jì)利益。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的基于各種原理測(cè)量流量的流量計(jì)種類(lèi)很多，如容積式流量計(jì)、渦街流量計(jì)、差壓流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。其中，超聲波流量計(jì)是隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開(kāi)始得到實(shí)際應(yīng)用的一種非接觸式儀表。與其他類(lèi)型的流量計(jì)相比，超聲波流量計(jì)具有無(wú)壓力損失、性?xún)r(jià)比高、測(cè)量范圍寬(一般可達(dá)到20:1)等特點(diǎn)。傳播速度差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量范圍可達(dá)到300 : 1。因此，在大管徑煤層氣的計(jì)量中使用超聲波流量計(jì)具有突出的優(yōu)勢(shì)。尤其在城市輸氣中，白天用氣高峰和夜間用氣低谷氣流量差別懸殊，超聲波流量計(jì)測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)能很好地適應(yīng)這一點(diǎn)。
1超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理
超聲波流量計(jì)由超聲波轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，以一定的方式發(fā)射并穿過(guò)被測(cè)流體，接收器接收到超聲波信號(hào)，供顯示積算儀顯示和積算，實(shí)現(xiàn)流量的檢測(cè)顯示。
超聲波流量計(jì)的2個(gè)超聲波換能器(又稱(chēng)超聲波探頭)分別安裝在管道外壁兩側(cè)，以一定的傾角對(duì)稱(chēng)(見(jiàn)圖la)或在同側(cè)(見(jiàn)圖1b)。
超聲波換能器通常采用鋯鈦酸鉛陶制成，在電的激勵(lì)下，換能器產(chǎn)生超聲波以一定的入射角射入管壁，在管壁內(nèi)以橫波形式傳播射入流體，并以縱波的形式在流體內(nèi)傳播，最后透過(guò)介質(zhì)，穿過(guò)管壁被另一換能器所接收。在測(cè)量時(shí)2個(gè)傳感器互為發(fā)射和接收探頭，為保證2個(gè)方向傳輸?shù)某暡ㄌ幱谙嗤臍怏w流速下，設(shè)計(jì)時(shí)使2個(gè)換能器同時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)射超聲波。
按測(cè)量參數(shù)的不同，其測(cè)量原理可分為時(shí)差法、頻差法和相位差法3種，僅介紹常用的前2種類(lèi)型。以圖la為例，傳感器與管線(xiàn)法線(xiàn)的角度為θ1 , δ為管道壁厚，D為管道公稱(chēng)直徑。超聲波脈沖信號(hào)的傳播速度為c，流體速度為v，2個(gè)傳感器(T1和T2)之間的連線(xiàn)與天然氣流動(dòng)方向的夾角為θ，則超聲波速度在天然氣流動(dòng)方向上的分量vcosθ，與流體速度疊加后的合速度為c±vcosθ。即當(dāng)超聲波水平速度分量方向與流體流速方向一致時(shí)，兩者的合速度為c+vcosθ，反之為c- v cosθ。
1.1 差法計(jì)量原理
當(dāng)T1發(fā)射T2接收時(shí)，T1到T2的傳輸時(shí)間：
當(dāng)T2發(fā)射T1接收時(shí)，T2到T1的傳輸時(shí)間：
整理后得到：
則兩個(gè)方向的頻率差：
從(4)式可見(jiàn)，測(cè)到頻率差即可得到氣體流速v，由此可計(jì)算出體積流量，即：
進(jìn)而可得到天然氣的日產(chǎn)量公式：
1.2時(shí)差法計(jì)量原理
對(duì)(3)式整理得：
這樣測(cè)到時(shí)間差t12和t21,兩個(gè)時(shí)間參數(shù)，即可求得氣體流速v，從而得出天然氣日產(chǎn)量公式：
從(6)、(8)式可以看出，利用超聲波流量計(jì)測(cè)得的天然氣日產(chǎn)量Q與超聲波脈沖信號(hào)速度無(wú)關(guān)。
2 性能特征
超聲波流量計(jì)與孔板、渦輪、渦街等傳統(tǒng)流量計(jì)相比，具有適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便等特點(diǎn)(見(jiàn)表1)。
3 影響超聲波流量測(cè)量準(zhǔn)確性的因素
影響超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確性的因素很多，其主要因素有2個(gè)方面：儀表本身性能的影響；安裝質(zhì)量的影響。
3.1 流量計(jì)的選型
傳播速度差法的測(cè)量原理是測(cè)量超聲波傳播途徑上的平均流速，這一平均流速是否能正確反映流通截面上的流速對(duì)于測(cè)量的準(zhǔn)確性是有影響的。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)選用雙聲道或多聲道流量計(jì)以改善單聲道測(cè)量平均流速的不確定性。在實(shí)際使用中單聲道流量計(jì)精度為±2.0%，可以滿(mǎn)足過(guò)程控制的要求。多聲道的流量計(jì)精度為±1. 0%，可以滿(mǎn)足貿(mào)易交接計(jì)量的要求。
超聲波流量計(jì)的測(cè)量體有2種形式：外夾裝式和自帶測(cè)量管式。外夾裝式超聲波流量計(jì)使用方便靈活，特別適用于改造工程。然而現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際精度，常因工作疏忽、安裝距離和流通面積測(cè)量等誤差而下降。使用帶測(cè)量管的超聲波流量計(jì)降低了迎流流速分布的影響，減少了前后置直管長(zhǎng)度的影響，消除了現(xiàn)場(chǎng)安裝轉(zhuǎn)換器位置的影響。在現(xiàn)場(chǎng)工藝條件允許的情況下推薦使用自帶測(cè)量管的測(cè)量方式。
3.2 安裝質(zhì)量的影響
安裝地點(diǎn)的選擇必須保證轉(zhuǎn)換器前的流體沿管軸平行流動(dòng)，所以應(yīng)保證轉(zhuǎn)換器前有一定長(zhǎng)度的直管段，所需直管段長(zhǎng)度與流道上阻力件形式有關(guān)(見(jiàn)表2)。流量計(jì)兩側(cè)的工藝管道內(nèi)壁要光滑，不應(yīng)有堆焊；帶測(cè)量管的超聲波流量計(jì)安裝時(shí)密封墊圈的內(nèi)徑應(yīng)比流量計(jì)的內(nèi)徑大4~5 mm，以防在法蘭緊固后伸入管道內(nèi)，造成有效流通面積減小，影響測(cè)量精度。夾裝式超聲波流量計(jì)可以安裝管道支撐架以減小管道振動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。流量計(jì)的接地線(xiàn)要可靠接地。電纜屏蔽層也要可靠接地，以防止外界的各類(lèi)電磁干擾。
3.3 超聲波流量計(jì)的調(diào)整和校驗(yàn)
準(zhǔn)確的調(diào)整和校驗(yàn)對(duì)流量計(jì)的正常工作非常重要。包括對(duì)流量顯示的二次儀表的電子線(xiàn)路進(jìn)行調(diào)校；對(duì)轉(zhuǎn)換器的安裝進(jìn)行調(diào)校使得發(fā)射轉(zhuǎn)換器的聲波信號(hào)經(jīng)流體中的傳播以后能正常地被接收轉(zhuǎn)換器所接收。對(duì)于帶測(cè)量管的超聲波流量計(jì)，由于發(fā)射轉(zhuǎn)換器和接收轉(zhuǎn)換器的相對(duì)位置固定，因此其調(diào)校均相對(duì)較為簡(jiǎn)便，主要針對(duì)二次儀表的電子線(xiàn)路進(jìn)行調(diào)校。
4 結(jié)語(yǔ)
近年來(lái)，氣體超聲流量計(jì)具有理論上無(wú)需進(jìn)行流量標(biāo)定、與檢測(cè)介質(zhì)無(wú)關(guān)等無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)正逐漸走向?qū)嵱没ｋS著煤層氣在我國(guó)能源體系中地位的日趨重要和以西氣東輸為代表的輸氣管道的增加，超聲波流量計(jì)以其非接觸式測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，必將獲得更加廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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