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超声波流量计工作原理和减小计量误差方法
来源：www.bgnesphoto.com 作者：youwang 日期：2020-11-5 0:18:03 浏览次数：0
超声波流量计的应用可谓是很广泛的设备之一，但是有不少人对其原理和安装及误差判别不是很了解，特别是安装，经常不看说明书和视频就说不会，甚至直接安装导致错误使用。本文介绍了固定外夹式超声波流量计的基本原理、计算方法以及误差原因，根据超声波流量计的工作原理，介绍了10 种减小计量误差的方法。
1 概述
固定外夹式超声波流量计具有准确、稳定、操作简便，只需 将传感器按规定方式夹在管道上就可以测量，无需破管道，而 且测量精度比较准确，广泛应用气田集输、净化等领域。通过掌 握其工作原理，使用和安装方法对高含硫天然气的计量非常重 要。
2 超声波计量工作原理
2.1 基本原理
超声波流量计是基于流体流动过程中对其内部声波信号产生影响，并通过检查声波信号的变化来获取流量信息。当被测介质处于不同的流速状态时，超声波脉冲在其内部的传播速度相对固定的坐标系统（如仪表壳体）是不同的，传播速度的变化量和介质的运动速度有关。现有的超声波计量方法 可以分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相关法以及噪 声法等类型[1]。
其中，传播速度差法采用了超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速，实现测量流速的目的，被广泛应 用于油气集输、净化等领域。该测量方法常用的现场安装方法如图 1 所示，包括 V 法、X 法以及 Z 法。
气体的超声流量测量存在传播衰减大、信号不稳定、信噪 比低、声透射率不稳定、声学噪声干扰等影响，流量计计量精 度、稳定性、重复性等指标不确定性增大，四川某气田现场采用 Z 法（直射法）的安装方式，降低超声波信号的衰减程度，提高计
量准确性。
2.2 计算方法
图 2 给出了超声波流量计 Z 法安装方式的简化结构，安装 角 φ 是 Tx1 和 Tx2 两个换能器相对于管道轴线的夹角，管径为 D。
超声波的实际传播速度 c 是声速 c0 和流体在声道方向上的速度分量 υcosφ 的和：
超声信号在流体中向上游和向下游的传播时间可以通过公式（2）（3）给出：
式（2）（3）进行整理可以得到以下关系：
根据公式（6）可以获得超声脉冲传播路径上的流体线平均 流速 v，获得体积流量还需要进一步换算。为了确定整个管道横截面上的流体平均轴向流动速度，就需要知道流量修正系数 Kh，系数 Kh 是通过在流量计管段内的速度分布剖面导出，由此 获得流量计声道上的平均流速和整个管道的面平均流速的关 系：
2.3 误差原因
根据超声波流量计的计量原理及计算公式以及测量不确 定度分析，从误差源的性质和发生原因[2- 3]可以归结为以下几
点：
（1）超声传播时延估计使用的时间基准误差。
（2）超声的实际传播长度误差。
（3）安装效应导致面平均流速测量误差。
（4）信号失真导致的流场信息获取不准确。
3 超声波流量计减小误差的方法
（1） 测量位置应选在探头上游大于 10D 和下游大于 5D，充 满液体的直管段处；双弯管和半开阀需要更多直管段；对于外 夹式气体系统，建议非常小采用 20 倍的上游直管段[4]。
（2）测量点选择应尽可能远离泵、阀门等设备，避免干扰。因 要尽可能测量平直流体，避免紊流带来的测量误差。
（3）传感器在水平管线上安装时，应与垂直线有非常小 20° 的夹角。以避免气体在管道顶部聚集时产生的波束干扰[5]。
（4）避免在雷诺数过渡区测量，当 1000<Re<5000 可以获得 非常好精度。
（5）测量点处应无焊缝，无振动及无电磁干扰源等；提供测 试管道设计参数，现场用卡尺或钢卷尺和超声波测厚仪对管道 外径及壁厚进行复核，为减小误差，管道外径及壁厚应进行多 点测量后取其平均值。
（6）管路管材应均匀密实，易于超声波传播。
（7） 必须把待安装换能器的金属管道表面打磨 3 倍探头面 积，去掉锈迹油漆，使管壁表面光滑平整，露出管道金属的原有 表面并保持原有弧度。
（8）气体超声波流量计与液体超声波流量计相比，测量信号更容易受到噪音信号干扰，如果信噪比在 10:1 以下，就无法准 确测量[6]。因此在将换能器固定在管道上前，为减小管道噪音信号对测量结果的影响，应在管道外壁粘贴气体耦合剂薄膜，贴时应尽量减少气泡的产生，防止空气、沙尘和锈迹进入；如产生气泡应将气泡弄破，释放出气体。
（9）充分考虑管内硫沉积，结垢和腐蚀等状况，尽可能选择管内无沉积物，无腐蚀的管段进行测量。
（10）夹具应固定在换能器的中心部分，使之不易滑动。
4 抗噪膜技术应用
由于四川某气田 X 集气站管道材质不均匀，造成超声波反 射和散射形成杂波而产生噪音，严重影响测量信噪比，导致计 量误差大，现场显示数据比实际产气量偏低�？乖肽ぃɑ虺谱枘� 膜）技术能过滤反射波，保留透射波，有效去除噪音，提高信噪 比，并且对管壁无影响，是一种提高计量精度的高效方法。
4.1 抗噪膜厚度计算
抗噪膜的厚度以四分之一超声波波长选择，对应频率采用 探头的中间频率为 144，谐振频率 32/144 =0.222 MHZ，波长 λ 表达式为：
声速在抗噪膜的数值为 1838160 mm/s，可以计算的得到超 声波波长为 8.28mm 那么抗噪膜的厚度按 1/4 波长来选择，则抗
噪膜的厚度为 2.07mm。 以 CC129 参数规范，每张抗噪膜的厚度是 0.027inches，换 算单位后约为 0.69mm，因此在该工况条件下需要使用 3 张抗噪膜，能够实现有效降低噪音影响。
4.2 应用效果
以四川某气田 X 集气站外输流量为例，安装抗噪膜前信噪 比为 5:1，瞬时流量为 15.2 万方 / 天，信噪比低于 10:1 的计量要 求，并且测得流量与实际不相符。添加 3 层 CC129 抗噪膜后信号强度得到增加，信噪比提高至 43，外输流量显示为 29.5 万方 / 天，该气量符合生产实际，图 3、图 4 所示。
5 结论
超声波流量计利用声波传播速度与流体流速存在矢量叠 加关系，通过检测声波信号的变化来获取流量信息，能够实现快速、准确计量流量，但由于安装问题、、工况条件等因素使得信 号失真，导致计量误差较大。
本文介绍了 10 中减小超声波计量 误差的方法，当现场信噪比低于技术规范要求，使用抗噪膜技术能够有效滤除噪音影响，是现场提高超声波计量精度有效方 法。
