[導(dǎo)讀] 通過對超聲波流量計(jì)的測量原理和影響超聲波測量精度的因素分析，詳細(xì)闡述了解決測量精度的具體方法，提供了儀表選型、安裝的指導(dǎo)性建議。
流量是煤層氣生產(chǎn)集輸中重要的參數(shù)之一。流量測量值的準(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。目前國內(nèi)生產(chǎn)的基于各種原理測量流量的流量計(jì)種類很多，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)展才開始得到實(shí)際應(yīng)用的一種非接觸式儀表。與其他類型的流量計(jì)相比，超聲波流量計(jì)具有無壓力損失、性價比高、測量范圍寬（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。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)射并穿過被測流體，接收器接收到超聲波信號，供顯示積算儀顯示和積算，實(shí)現(xiàn)流量的檢測顯示。超聲波流量計(jì)的2個超聲波換能器（又稱超聲波探頭）分別安裝在管道外壁兩側(cè)，以一定的傾角對稱（見圖la）或在同側(cè)（見圖1b）。
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圖1 超聲波流量計(jì)計(jì)量原理
超聲波換能器通常采用鋯鈦酸鉛陶制成，在電的激勵下，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，最后透過介質(zhì)，穿過管壁被另一換能器所接收。在測量時2個傳感器互為發(fā)射和接收探頭，為保證2個方向傳輸?shù)某暡ㄌ幱谙嗤臍怏w流速下，設(shè)計(jì)時使2個換能器同時向?qū)Ψ桨l(fā)射超聲波。
按測量參數(shù)的不同，其測量原理可分為時差法、頻差法和相位差法3種，僅介紹常用的前2種類型。以圖la為例，傳感器與管線法線的角度為θ1，δ為管道壁厚，D為管道公稱直徑。超聲波脈沖信號的傳播速度為c，流體速度為v，2個傳感器（T1和T2）之間的連線與天然氣流動方向的夾角為θ，則超聲波速度在天然氣流動方向上的分量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，兩者的合速度為c+vcosθ，反之為c－vcosθ。
1.1 差法計(jì)量原理
當(dāng)T1發(fā)射T2接收時，T1到T2的傳輸時間：
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當(dāng)T2發(fā)射T1接收時，T2到T1的傳輸時間為：
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整理后得到：
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則兩個方向的頻率差為：
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從（4）式可見，測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：
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進(jìn)而可得到天然氣的日產(chǎn)量公式：
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1.2 時差法計(jì)量原理
對（3）式整理得：
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這樣測到時間差t12和t21，兩個時間參數(shù)，即可求得氣體流速v，從而得出天然氣日產(chǎn)量公式：
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從（6）、（8）式可以看出，利用超聲波流量計(jì)測得的天然氣日產(chǎn)量Q與超聲波脈沖信號速度無關(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)（見表1）。
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3 影響超聲波流量測量準(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
傳播速度差法的測量原理是測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于測量的準(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%，可以滿足過程控制的要求。多聲道的流量計(jì)精度為±1.0%，可以滿足貿(mào)易交接計(jì)量的要求。
超聲波流量計(jì)的測量體有2種形式：外夾裝式和自帶測量管式。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量等誤差而下降。使用帶測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度的影響，消除了現(xiàn)場安裝轉(zhuǎn)換器位置的影響。在現(xiàn)場工藝條件允許的情況下推薦使用自帶測量管的測量方式。
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，所以應(yīng)保證轉(zhuǎn)換器前有一定長度的直管段，所需直管段長度與流道上阻力件形式有關(guān)（見表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；帶測量管的超聲波流量計(jì)安裝時密封墊圈的內(nèi)徑應(yīng)比流量計(jì)的內(nèi)徑大4~5mm，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對測量精度的影響。流量計(jì)的接地線要可靠接地。電纜屏蔽層也要可靠接地，以防止外界的各類電磁干擾。
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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)對流量計(jì)的正常工作非常重要。包括對流量顯示的二次儀表的電子線路進(jìn)行調(diào)校；對轉(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。對于帶測量管的超聲波流量計(jì)，由于發(fā)射轉(zhuǎn)換器和接收轉(zhuǎn)換器的相對位置固定，因此其調(diào)校均相對較為簡便，主要針對二次儀表的電子線路進(jìn)行調(diào)校。
4 結(jié)語
氣體超聲流量計(jì)具有理論上無需進(jìn)行流量標(biāo)定、與檢測介質(zhì)無關(guān)等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)正逐漸走向?qū)嵱没?/div>