來(lái)源：www.zhzndt.com　作者：youwang　日期：2020-11-5 0:18:03　瀏覽次數：0

 

1 概述

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

 

2 超聲波計量工作原理

 

2.1 基本原理 

超聲波流量計是基于流體流動(dòng)過(guò)程中對其內部聲波信號產(chǎn)生影響，并通過(guò)檢查聲波信號的變化來(lái)獲取流量信息。當被測介質(zhì)處于不同的流速狀態(tài)時(shí)，超聲波脈沖在其內部的傳播速度相對固定的坐標系統（如儀表殼體）是不同的，傳播速度的變化量和介質(zhì)的運動(dòng)速度有關(guān)�，F有的超聲波計量方法 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(lèi)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)現測量流速的目的，被廣泛應 用于油氣集輸、凈化等領(lǐng)域。該測量方法常用的現場(chǎng)安裝方法如圖 1 所示，包括 V 法、X 法以及 Z 法。

 

氣體的超聲流量測量存在傳播衰減大、信號不穩定、信噪 比低、聲透射率不穩定、聲學(xué)噪聲干擾等影響，流量計計量精 度、穩定性、重復性等指標不確定性增大，四川某氣田現場(chǎng)采用 Z 法（直射法）的安裝方式，降低超聲波信號的衰減程度，提高計

量準確性。

 

2.2 計算方法 

圖 2 給出了超聲波流量計 Z 法安裝方式的簡(jiǎn)化結構，安裝 角 φ 是 Tx1 和 Tx2 兩個(gè)換能器相對于管道軸線(xiàn)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：

根據公式（6）可以獲得超聲脈沖傳播路徑上的流體線(xiàn)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 Kh，系數 Kh 是通過(guò)在流量計管段內的速度分布剖面導出，由此 獲得流量計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

根據超聲波流量計的計量原理及計算公式以及測量不確 定度分析，從誤差源的性質(zhì)和發(fā)生原因[2- 3]可以歸結為以下幾

點(diǎn)：

（1）超聲傳播時(shí)延估計使用的時(shí)間基準誤差。 

（2）超聲的實(shí)際傳播長(cháng)度誤差。 

（3）安裝效應導致面平均流速測量誤差。 

（4）信號失真導致的流場(chǎng)信息獲取不準確。 

 

3 超聲波流量計減小誤差的方法 

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

（2）測量點(diǎn)選擇應盡可能遠離泵、閥門(mén)等設備，避免干擾。因 要盡可能測量平直流體，避免紊流帶來(lái)的測量誤差。 

（3）傳感器在水平管線(xiàn)上安裝時(shí)，應與垂直線(xiàn)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）避免在雷諾數過(guò)渡區測量，當 1000<Re<5000 可以獲得 非常好精度。 

（5）測量點(diǎn)處應無(wú)焊縫，無(wú)振動(dòng)及無(wú)電磁干擾源等；提供測 試管道設計參數，現場(chǎng)用卡尺或鋼卷尺和超聲波測厚儀對管道 外徑及壁厚進(jìn)行復核，為減小誤差，管道外徑及壁厚應進(jìn)行多 點(diǎn)測量后取其平均值。 

（6）管路管材應均勻密實(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）氣體超聲波流量計與液體超聲波流量計相比，測量信號更容易受到噪音信號干擾，如果信噪比在 10:1 以下，就無(wú)法準 確測量[6]。因此在將換能器固定在管道上前，為減小管道噪音信號對測量結果的影響，應在管道外壁粘貼氣體耦合劑薄膜，貼時(shí)應盡量減少氣泡的產(chǎn)生，防止空氣、沙塵和銹跡進(jìn)入；如產(chǎn)生氣泡應將氣泡弄破，釋放出氣體。 

（9）充分考慮管內硫沉積，結垢和腐蝕等狀況，盡可能選擇管內無(wú)沉積物，無(wú)腐蝕的管段進(jìn)行測量。 

（10）夾具應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，嚴重影響測量信噪比，導致計 量誤差大，現場(chǎng)顯示數據比實(shí)際產(chǎn)氣量偏低�？乖肽ぃɑ蚍Q(chēng)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，并且對管壁無(wú)影響，是一種提高計量精度的高效方法。

 

4.1 抗噪膜厚度計算 

抗噪膜的厚度以四分之一超聲波波長(cháng)選擇，對應頻率采用 探頭的中間頻率為 144，諧振頻率 32/144 =0.222 MHZ，波長(cháng) λ 表達式為：

聲速在抗噪膜的數值為 1838160 mm/s，可以計算的得到超 聲波波長(cháng)為 8.28mm 那么抗噪膜的厚度按 1/4 波長(cháng)來(lái)選擇，則抗

噪膜的厚度為 2.07mm。 以 CC129 參數規范，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，能夠實(shí)現有效降低噪音影響。

 

4.2 應用效果

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 的計量要 求，并且測得流量與實(shí)際不相符。添加 3 層 CC129 抗噪膜后信號強度得到增加，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，圖 3、圖 4 所示。 

 

5 結論 

超聲波流量計利用聲波傳播速度與流體流速存在矢量疊 加關(guān)系，通過(guò)檢測聲波信號的變化來(lái)獲取流量信息，能夠實(shí)現快速、準確計量流量，但由于安裝問(wèn)題、、工況條件等因素使得信 號失真，導致計量誤差較大。

 

本文介紹了 10 中減小超聲波計量 誤差的方法，當現場(chǎng)信噪比低于技術(shù)規范要求，使用抗噪膜技術(shù)能夠有效濾除噪音影響，是現場(chǎng)提高超聲波計量精度有效方 法。