江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
應用超聲波原理測量流量始于1928年，而進入實用階段約在20世紀70年代，但仍限于測量液體。用于測量氣體流量約在90年代，至今不到10年。由于氣體超聲波流量計具有許多傳統流量計（孔板、渦輪、渦街……等）無法相比的突出優(yōu)點（見表1），在天然氣流量計量領域中，它猶如一顆耀眼的新星，備受國內外工程技術界的關注。2000年6月在巴西召開的“FOLMEKO2000第十屆流量測量學術討論會”上，重點討論了超聲波流量計，該方面的論文數占論文總數的29.4%，接近1/3；而歷屆討論zui多的有關差壓式的論文數僅占17.6%，不再成為熱點。從發(fā)展趨勢來看，由于超聲波流量計具有度高、性能穩(wěn)定可靠、量程比大、管道中無檢測件等特點，在工程應用及貿易中，大有*取代傳統流量儀表的趨勢。目前，美國、英國、荷蘭、德國、加拿大、俄羅斯等10余個國家已批準它為天然氣貿易輸送系統的計量儀表。據了解，我國也正對此進行技術誰，制定了標準。僅以我國四大世紀工程之一的西氣東輸工程為例，經多次流量計量論證，已將氣體超聲波流量計作為流量計量的儀表。據估算，該項目一期工程對檢測控制儀表的投資將達到100億元左右。流量計量是整個工程中重要的檢測參數，初步估計，管道為DN150~1000的大中型天然氣輸配計量站約數百個，DN100以下的流量計量所需儀表將以萬計，流量計量投資約10億元左右。這個巨大的市場對于儀表生產廠商來說，真是千載難逢！
表1 流量計的性能比較
| 項目 | 孔板 | 渦街 | 渦輪 | 超聲波 |
| 度（%） | ±1 | ±1 | ±1 | ±0.5 |
| 量程比 | 3：1 | 30:1 | 20:1 | 300:1 |
| 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 |
二 原理
1.流速測量
目前用超聲波法來測氣體流量，時差法幾乎是*的選擇。
其測量原理如圖1所示，A、B是安裝在管道上的兩個換能器（Transducer）,既可發(fā)射又可接受超聲波。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B所需時間：
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，用時差法測流體的軸向速度與聲速C無關，這就大大簡化了測量電路。這個方法早為人們所知，但實際應用到測量氣體流量當時還有困難。近幾年來由于集成電路的飛速發(fā)展，可以測量極其微小的時間差（達10-9~10-12s），才使其得以進入實用階段。目前對時差的處理電路有PLL（鎖向環(huán)路）、TLL（時間鎖定環(huán)路）及LEFM（波前沿時間差法）等。
2.流量測量
流量應為管道橫截面積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K予以修正，K=Vm/V。系數K取決于流體的雷諾數Re，在管道內充分發(fā)展的紊流條件下
K=1.119-0.011×logRe （2）
當流速V變化10倍時，K值將變化1%，在進行測量時，必須用K對流量值進行動態(tài)修正。
當管道的直管段不夠長時，管內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度。而超聲波流量計可采取多聲道的辦法（可采用8個換能器、4個聲道以測量整個截面的流速，如圖（2）以減少受到的影響，幫仍可保持高達±0.5%~±1%的度。
三 特點
時差式氣體超聲波流量計現已成為當今氣體流量（特別是高壓、大口徑）計量的儀表，它的特點如下：
（1）適用于大口徑管道測量，口徑范圍75~1200mm，zui大口徑可達1600mm；
（2）度一般優(yōu)于±0.5%，重復性可達±0.1%；
（3）量程比很寬，可達300：1以上；
（4）所需上下游直管段較短，上游為10D，下游為3D；
（5）無可動部件，使用安全、可靠；
（6）換能器輕巧，所占空間小，安裝維護方便；
（7）無壓損，為節(jié)能產品，可降低輸氣管道增壓費用；
（8）可進行雙向流量測量；
（9）不測質量流量；
（10）不受渦流及橫截面流速分布變化的影響；
（11）可測量脈動流；
（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）管內無阻流件，可允許清洗球自由通過管道和流量計，清洗容易。
四 標定
雖然美國燃氣協會的AGA9號報告認為采用超聲波流量計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，不進行標定基本上都可以達到這個度要求。但不少天然氣供應商在貿易計量時，為減少損失，仍希望通過標定來提高儀表的度。據Edgar估計，在DN400的管道中，輸送6Mpa壓力、750M3/h流量的天然氣，如流量計誤差為了0.7%，天然氣價格按7美元/100M3計，那么每年將少收180萬美元。而標定一臺口徑400mm的超聲流量計，每次僅需約3~4萬美元，幾個工作日就可回收標定費用。
標定方式可以有實流標定及干標定兩種方式。
1.實流標定
實踐證明，影響超聲波流量度的因素很多，在實驗室條件下進行實流標定是提高流量計度行之有效的方法。實流標定可采取基準法及比對法?；鶞史ㄊ峭ㄟ^基本的物理量作為流量的基準備來標定被校流量計，如Mt法；而比對法則是將一只度較高的流量計作為標準表，與被校儀表串聯在同一管道上，在相同的流量下，比對兩只流量計的差值，然后用流量系數來修正被校儀表的流量值，這種方法較基準法實施起來較為簡便，但度低于基準法。
以上兩種標定方法，在我國成都華陽天然氣流量計量站均可進行。
表2 3家公司的超聲波流量計性能
| 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 |
| 度（%） | ≤±0.5 | ≤±0.5 | ≤±0.5 |
| 重復性 | ≤±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 |
| 數據接口 | RS-485/RS-232 | RS-232 /RS-485 | RS-485 /RS-232 |
| 響應時間（s） | 1 | 0.2~60 | |
| 推薦上游直管長度（D） | ＞10 | ＞10 | ＞10 |
| 推薦下游直管長度（D） | 3 | 3 | 3 |
| 安全防爆標志 | EExidIIT6 | | EExidIIT4 |
| 功耗（W） | ≤7 | | ≤15 |
| 電源 | DC 24V、AC 110、230V | DC 9~36V、AC 90~230V | DC 20~28V、AC 115、230V±10 |
| 防護等級 | IP65 | IP65 | IP65 |
2.干標定
實流標定較適用于DN300MM以下口徑的流量計，而對于較大口徑的流量計進行實流標定不僅拆裝運輸很繁瑣，費用也過于昂貴，而且實際上未必有這么大的標定裝置。鑒于過去幾十年來對孔板流量計實行干標，取得了不少經驗且剖有成效，而超聲流量計也無法轉動部件，可以借鑒孔板的干標。其方法如下。
（1）幾何尺寸測定：精密測量流量計殼體內部幾何尺寸，是干標法的基礎；
（2）功能測試：將換能器裝入主體接入電路，對流量計功能進行測試，確保其工作穩(wěn)定。
（3）組態(tài)調整：測試調整聲道角度和聲程。
（4）零流量檢測：零流量時，流量計的時差應等于零，管道口徑愈大，零流量漂移應愈小。
（5）聲速計算：通過計算機和相關軟件，計算不同組分下氣體的聲速。
（6）聲程標定：取兩種不同壓力下純氣體（如純氮）的聲程，取其平均值。
五 生產與應用
近幾年，由于微電子，數字技術的進步，超聲波流量計的發(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（MICONEX）”上，超聲波流量計的參展商就有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成功應用于測氣體流量，并推出產品且占有一定市場的，估計不超過10家。處于地位的有荷蘭的Instromet公司，美國的Controlotron公司，Daniel公司，德國的Krohne公司。前三個公司都已進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*合肥分院與四川石油設計院聯合研制氣體超聲波流量計，在1986年曾進行了樣機試驗；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，但至今還未成功地應用于現場。表2所列為已進入我國市場的3家國外公司超聲波流量計的技術性能（所列數據僅供參考，如有改變，以廠家所報數據為準）。
六 小結
如上所述，http:///jindingyb-ParentList-245568/以其優(yōu)異的技術性能可用于天然氣計量，當前，在我國的西氣東輸，川漢輸氣工程以及四川天然氣計量改造等項目中，選用它作為計量儀表已成事實。但業(yè)內專家認為，在選用上還應注意以下問題：
（1）氣體超聲波流量計是近年來推出的新型儀表，對使用中會出現的問題，還需要一個熟悉過程。選用不宜過熱，應采取穩(wěn)步，謹慎的態(tài)度。
?。?）目前氣體超聲波流量計均來自國外，且價格昂貴。面對我國巨大的市場，國內儀表工程界應盡早國產化，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。
?。?）應根據使用目的，合理選用流量儀表，不可盲目追求高指標。如干線的流量不可作為貿易的依據，僅供內部產量參考，則可選用價格便宜，安裝方便但度較差的均速流量計；而在較小的口徑（如小于DN100），超聲波的技術優(yōu)勢并不突出，價格仍較貴，則可選用價格較低，度適中的渦輪流量計，或低速性能較好的旋進式漩渦流量計。
