江蘇金鼎自動(dòng)化儀表有限公司 ：姚佳明
應(yīng)用超聲波原理測(cè)量流量始于1928年，而進(jìn)入實(shí)用階段約在20世紀(jì)70年代，但仍限于測(cè)量液體。用于測(cè)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(jì)具有許多傳統(tǒng)流量計(jì)（孔板、渦輪、渦街……等）無(wú)法相比的突出優(yōu)點(diǎn)（見表1），在天然氣流量計(jì)量領(lǐng)域中，它猶如一顆耀眼的新星，備受國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)界的關(guān)注。2000年6月在巴西召開的“FOLMEKO2000第十屆流量測(cè)量學(xué)術(shù)討論會(huì)”上，重點(diǎn)討論了超聲波流量計(jì)，該方面的論文數(shù)占論文總數(shù)的29.4%，接近1/3；而歷屆討論zui多的有關(guān)差壓式的論文數(shù)僅占17.6%，不再成為熱點(diǎn)。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，由于超聲波流量計(jì)具有度高、性能穩(wěn)定可靠、量程比大、管道中無(wú)檢測(cè)件等特點(diǎn)，在工程應(yīng)用及貿(mào)易中，大有*取代傳統(tǒng)流量?jī)x表的趨勢(shì)。目前，美國(guó)、英國(guó)、荷蘭、德國(guó)、加拿大、俄羅斯等10余個(gè)國(guó)家已批準(zhǔn)它為天然氣貿(mào)易輸送系統(tǒng)的計(jì)量?jī)x表。據(jù)了解，我國(guó)也正對(duì)此進(jìn)行技術(shù)誰(shuí)，制定了標(biāo)準(zhǔn)。僅以我國(guó)四大世紀(jì)工程之一的西氣東輸工程為例，經(jīng)多次流量計(jì)量論證，已將氣體超聲波流量計(jì)作為流量計(jì)量的儀表。據(jù)估算，該項(xiàng)目一期工程對(duì)檢測(cè)控制儀表的投資將達(dá)到100億元左右。流量計(jì)量是整個(gè)工程中重要的檢測(cè)參數(shù)，初步估計(jì)，管道為DN150~1000的大中型天然氣輸配計(jì)量站約數(shù)百個(gè)，DN100以下的流量計(jì)量所需儀表將以萬(wàn)計(jì)，流量計(jì)量投資約10億元左右。這個(gè)巨大的市場(chǎng)對(duì)于儀表生產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)，真是千載難逢！
表1 流量計(jì)的性能比較
| 項(xiàng)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(wú) |
| 對(duì)渦流的敏感 | 很敏感 | 很敏感 | 較敏感 | 不敏感 |
| 對(duì)流速分布的敏感 | 很敏感 | 很敏感 | 較敏感 | 不敏感 |
| 測(cè)脈動(dòng)流 | 不適合 | 不適合 | 不適合 | 適合 |
| 測(cè)雙向流 | 不能 | 不能 | 不能 | 可以 |
| 測(cè)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(cè)量
目前用超聲波法來(lái)測(cè)氣體流量，時(shí)差法幾乎是*的選擇。
其測(cè)量原理如圖1所示，A、B是安裝在管道上的兩個(gè)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(zhǎng)度為L(zhǎng)。從A向B發(fā)出的超聲波順流向到達(dá)B所需時(shí)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(hào)后，向A返回的超聲波信號(hào)為逆流向，所需時(shí)間為：
tab=L/（C-Vmcosθ）
再考慮cos?=X/L，兩式相減化簡(jiǎn)可得
從式（1）可知，用時(shí)差法測(cè)流體的軸向速度與聲速C無(wú)關(guān)，這就大大簡(jiǎn)化了測(cè)量電路。這個(gè)方法早為人們所知，但實(shí)際應(yīng)用到測(cè)量氣體流量當(dāng)時(shí)還有困難。近幾年來(lái)由于集成電路的飛速發(fā)展，可以測(cè)量極其微小的時(shí)間差（達(dá)10-9~10-12s），才使其得以進(jìn)入實(shí)用階段。目前對(duì)時(shí)差的處理電路有PLL（鎖向環(huán)路）、TLL（時(shí)間鎖定環(huán)路）及LEFM（波前沿時(shí)間差法）等。
2.流量測(cè)量
流量應(yīng)為管道橫截面積A乘以流過(guò)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(shù)K予以修正，K=Vm/V。系數(shù)K取決于流體的雷諾數(shù)Re，在管道內(nèi)充分發(fā)展的紊流條件下
K=1.119-0.011×logRe （2）
當(dāng)流速V變化10倍時(shí)，K值將變化1%，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須用K對(duì)流量值進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。
當(dāng)管道的直管段不夠長(zhǎng)時(shí)，管內(nèi)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?jī)x表測(cè)量的度。而超聲波流量計(jì)可采取多聲道的辦法（可采用8個(gè)換能器、4個(gè)聲道以測(cè)量整個(gè)截面的流速，如圖（2）以減少受到的影響，幫仍可保持高達(dá)±0.5%~±1%的度。
三 特點(diǎn)
時(shí)差式氣體超聲波流量計(jì)現(xiàn)已成為當(dāng)今氣體流量（特別是高壓、大口徑）計(jì)量的儀表，它的特點(diǎn)如下：
?。?）適用于大口徑管道測(cè)量，口徑范圍75~1200mm，zui大口徑可達(dá)1600mm；
（2）度一般優(yōu)于±0.5%，重復(fù)性可達(dá)±0.1%；
（3）量程比很寬，可達(dá)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(wú)可動(dòng)部件，使用安全、可靠；
（6）換能器輕巧，所占空間小，安裝維護(hù)方便；
（7）無(wú)壓損，為節(jié)能產(chǎn)品，可降低輸氣管道增壓費(fèi)用；
（8）可進(jìn)行雙向流量測(cè)量；
（9）不測(cè)質(zhì)量流量；
（10）不受渦流及橫截面流速分布變化的影響；
（11）可測(cè)量脈動(dòng)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(nèi)無(wú)阻流件，可允許清洗球自由通過(guò)管道和流量計(jì)，清洗容易。
四 標(biāo)定
雖然美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)的AGA9號(hào)報(bào)告認(rèn)為采用超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣允許誤差為±0.7%（口徑小于300mm可允許±1%），按目前國(guó)外制造商的水平，不進(jìn)行標(biāo)定基本上都可以達(dá)到這個(gè)度要求。但不少天然氣供應(yīng)商在貿(mào)易計(jì)量時(shí)，為減少損失，仍希望通過(guò)標(biāo)定來(lái)提高儀表的度。據(jù)Edgar估計(jì)，在DN400的管道中，輸送6Mpa壓力、750M3/h流量的天然氣，如流量計(jì)誤差為了0.7%，天然氣價(jià)格按7美元/100M3計(jì)，那么每年將少收180萬(wàn)美元。而標(biāo)定一臺(tái)口徑400mm的超聲流量計(jì)，每次僅需約3~4萬(wàn)美元，幾個(gè)工作日就可回收標(biāo)定費(fèi)用。
標(biāo)定方式可以有實(shí)流標(biāo)定及干標(biāo)定兩種方式。
1.實(shí)流標(biāo)定
實(shí)踐證明，影響超聲波流量度的因素很多，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定是提高流量計(jì)度行之有效的方法。實(shí)流標(biāo)定可采取基準(zhǔn)法及比對(duì)法?；鶞?zhǔn)法是通過(guò)基本的物理量作為流量的基準(zhǔn)備來(lái)標(biāo)定被校流量計(jì)，如Mt法；而比對(duì)法則是將一只度較高的流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，與被校儀表串聯(lián)在同一管道上，在相同的流量下，比對(duì)兩只流量計(jì)的差值，然后用流量系數(shù)來(lái)修正被校儀表的流量值，這種方法較基準(zhǔn)法實(shí)施起來(lái)較為簡(jiǎn)便，但度低于基準(zhǔn)法。
以上兩種標(biāo)定方法，在我國(guó)成都華陽(yáng)天然氣流量計(jì)量站均可進(jìn)行。
表2 3家公司的超聲波流量計(jì)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(fù)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(shù)據(jù)接口 | RS-485/RS-232 | RS-232 /RS-485 | RS-485 /RS-232 |
| 響應(yīng)時(shí)間（s） | 1 | 0.2~60 | |
| 推薦上游直管長(zhǎng)度（D） | ＞10 | ＞10 | ＞10 |
| 推薦下游直管長(zhǎng)度（D） | 3 | 3 | 3 |
| 安全防爆標(biāo)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(hù)等級(jí) | IP65 | IP65 | IP65 |
2.干標(biāo)定
實(shí)流標(biāo)定較適用于DN300MM以下口徑的流量計(jì)，而對(duì)于較大口徑的流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定不僅拆裝運(yùn)輸很繁瑣，費(fèi)用也過(guò)于昂貴，而且實(shí)際上未必有這么大的標(biāo)定裝置。鑒于過(guò)去幾十年來(lái)對(duì)孔板流量計(jì)實(shí)行干標(biāo)，取得了不少經(jīng)驗(yàn)且剖有成效，而超聲流量計(jì)也無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)部件，可以借鑒孔板的干標(biāo)。其方法如下。
?。?）幾何尺寸測(cè)定：精密測(cè)量流量計(jì)殼體內(nèi)部幾何尺寸，是干標(biāo)法的基礎(chǔ)；
（2）功能測(cè)試：將換能器裝入主體接入電路，對(duì)流量計(jì)功能進(jìn)行測(cè)試，確保其工作穩(wěn)定。
（3）組態(tài)調(diào)整：測(cè)試調(diào)整聲道角度和聲程。
（4）零流量檢測(cè)：零流量時(shí)，流量計(jì)的時(shí)差應(yīng)等于零，管道口徑愈大，零流量漂移應(yīng)愈小。
（5）聲速計(jì)算：通過(guò)計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件，計(jì)算不同組分下氣體的聲速。
（6）聲程標(biāo)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(chǎn)與應(yīng)用
近幾年，由于微電子，數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，超聲波流量計(jì)的發(fā)展勢(shì)頭異常迅猛。2000年在北京舉辦的“第十一屆多國(guó)儀器儀表展覽會(huì)（MICONEX）”上，超聲波流量計(jì)的參展商就有10多家，但大多只能測(cè)液體流量。由于超聲波通過(guò)氣體的阻力（即氣阻）要比通過(guò)液體和固體大的多，因此，對(duì)測(cè)量電路的要求更高。目前，在上能將超聲波技術(shù)成功應(yīng)用于測(cè)氣體流量，并推出產(chǎn)品且占有一定市場(chǎng)的，估計(jì)不超過(guò)10家。處于地位的有荷蘭的Instromet公司，美國(guó)的Controlotron公司，Daniel公司，德國(guó)的Krohne公司。前三個(gè)公司都已進(jìn)入具有巨大潛力的我國(guó)市場(chǎng)，角逐激烈。我國(guó)在20多年以前，有*合肥分院與四川石油設(shè)計(jì)院聯(lián)合研制氣體超聲波流量計(jì)，在1986年曾進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)；本溪無(wú)線電一廠也曾開發(fā)推出了CQJ-IA型氣體超聲波流量計(jì)，但至今還未成功地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。表2所列為已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的3家國(guó)外公司超聲波流量計(jì)的技術(shù)性能（所列數(shù)據(jù)僅供參考，如有改變，以廠家所報(bào)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)）。
六 小結(jié)
如上所述，http:///jindingyb-ParentList-245568/以其優(yōu)異的技術(shù)性能可用于天然氣計(jì)量，當(dāng)前，在我國(guó)的西氣東輸，川漢輸氣工程以及四川天然氣計(jì)量改造等項(xiàng)目中，選用它作為計(jì)量?jī)x表已成事實(shí)。但業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，在選用上還應(yīng)注意以下問(wèn)題：
?。?）氣體超聲波流量計(jì)是近年來(lái)推出的新型儀表，對(duì)使用中會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，還需要一個(gè)熟悉過(guò)程。選用不宜過(guò)熱，應(yīng)采取穩(wěn)步，謹(jǐn)慎的態(tài)度。
?。?）目前氣體超聲波流量計(jì)均來(lái)自國(guó)外，且價(jià)格昂貴。面對(duì)我國(guó)巨大的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)儀表工程界應(yīng)盡早國(guó)產(chǎn)化，不可過(guò)分依賴國(guó)外。這不僅是外匯流失問(wèn)題，對(duì)今后使用中的維修，配件更換更有好處。
?。?）應(yīng)根據(jù)使用目的，合理選用流量?jī)x表，不可盲目追求高指標(biāo)。如干線的流量不可作為貿(mào)易的依據(jù)，僅供內(nèi)部產(chǎn)量參考，則可選用價(jià)格便宜，安裝方便但度較差的均速流量計(jì)；而在較小的口徑（如小于DN100），超聲波的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并不突出，價(jià)格仍較貴，則可選用價(jià)格較低，度適中的渦輪流量計(jì)，或低速性能較好的旋進(jìn)式漩渦流量計(jì)。
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