插入式超声波流量计在供水大口径管道中的应用

穆全军

摘 要 在供水系统计量中，工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，机械式水表使用较多，大管径流量的水表存在误差较大，计量不准，无校验手段。本文探讨在供水大口径管道中应用超声波流量计，并对该性能进行分析对比，提高供水计量的准确性。

关键词 插入式；超声波；供水；应用

前言

插入式超声波流量计的应用技术近年来发展迅速，以其安装方便、维护量小、适用量程范围广、无接触测量等优点广泛应用于石化行业。它克服了时差式电磁流量计应用在大口径管道存在的仪表故障率高、计量不准确的缺点，满足了计量的需要。根据现场应用的经验对这种超声波流量计的特性及应用中可能影响测量精度的一些问题进行分析。

1 超声波流量计的工作原理及性能

（1）超声波流量计的构成超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和计算。实现流量的检测和显示。

（2）插入式超声波流量计的特点测量管内无活动部件和阻流元件，无附加压力损失；测量过程与液体的温度、密度、压力及导电无关；可采用不停水深入管壁内安装方式；不接触流量测量仪表，测量过程传感器元件不接触被测流体，不阻流，无腐蚀，寿命长。不受杂散点信号干扰；检定周期为三年，其他流量计一般为半年或一年。插入式传感器流量计，主要技术特点是不使用耦合剂，被测管道内壁垢对测量无影响，测量准确度達到1.0级，安装是将声头插入至被测管道内部，从内壁看大约露出5mm左右，不阻流，不增加管道的压力损失。声头带有防护罩，用于能量转换（电声相互转换）的压电陶瓷通过该报护罩向被测液体发射和接收声波信号，该报护罩起到了抗冲击、防腐、耐磨作用，并具有良好的透声性能[1]。

2 影响流量计测量精度的因素

（1）上下游直管段长度对测量精度的影响标定系数K是雷诺数的函数，流体从层流过渡到紊流，流速分布不均匀，标定系数K将产生较大的变化，引起测量精度下降，根据生产商要求，换能器应安装在上游直管段为10D（D为管线直径），下游直管段为5D的位置，对于上游存在泵、阀等设备时直管段的长度，要求“距离紊流、震动、热源、噪音源和射线源越远越好”。

（2）管道参数设置对测量精度的影响管道参数设置准确与否，与测量精度关系密切。如果管道材质及尺寸的设置与实际管道尺寸不相符，将造成理论管道流通截面积与实际流通截面积产生误差，导致最终结果不准确；另外，换能器之间的发射间距是根据流体（声速、动力黏度）、管道（材质和尺寸）、换能器的安裝方式等各种参数综合运算的结果，换能器的安装距离产生偏差，也会引起很大的测量误差。其中管道内径的设置和安装距离对测量精度影响比较突出，据有关资料介绍，若管道内径误差±1%，则引起约±3%的流量误差；若安装距离误差±1mm，将产生±1%以内的流量误差。只有正确设置管道参数，换能器才能安装准确，减少管道参数设置对测量精度的影响[2]。

（3）换能器安装位置对测量精度的影响换能器的安装有反射式（V型）和直射式（Z型）两种方式。利用Z形法安装声束行程短，可以增强信号强度。我公司用于测量化纤循环水的两台流量计先后采用了两种方式进行安装，Z形的测量效果明显优于V型，而且另外五个检测点都采用Z形法安装，测量效果比较好。另外，换能器必须安装在与管线正切的方向，否则会影响声波的发射和接收，进而影响测量精度。

（4）含气量对测量精度的影响含气量对测量数据也有很大影响。不溶气体具有非常低的声阻抗，可能造成声束分散，含气量大时，将减小声波信号的强度，Vaer是该流量计表征含气量的参数，通常状态下Vaer<50。用于测量化纤循环水的两台流量计的换能器安装位置不好，一台泵前有一个大凉水池，泵距换能器间直管段小于10D，测量数据不稳定；另一台泵距换能器间直管段距满足了10D的要求，测量数据比较稳定。由于工艺操作的需要，每半个月循环水中要加入一次剥离剂，管道中含气量大量增加。泵至换能器前直管段太短，气泡严重影响测量，流量计停止工作，其间大概持续两天时间。工况恢复正常时，流量计自动恢复工作。因此，要消除含气量，必须保证换能器前后直管段的长度。

（5）耦合剂对测量精度的影响为了保证换能器和管道充分接触，安装换能器时需往管道表面均匀地涂一层耦合剂，一般厚度为2～3mm。应将耦合剂内的气泡和颗粒挤出去，换能器的发射面应紧密地贴在管壁上。测量循环水的流量计大多安装在水井中，安装环境潮湿，有时会被水淹，如果选用一般的耦合剂，在很短时间内便会失效，影响测量精度。因此，必须选用特制的防水耦合剂[3]。

3 超声波流量计安装条件

（1）传感器探头轴线处于水平位置，插入式传感器安装时应尽可能在管道侧面的正侧线上，以避开上端的气泡或底部的沉淀物。一般应安装在水平、倾斜或垂直的管道中，垂直管道应选择流动自下而上的管段，以防止测量点出现非满管流情况。

（2）被测管道的内壁不应有严重的结垢、锈蚀。结垢、锈蚀层表面粗糙，影响管道内径的确定尺寸，这一尺寸变化1%，将引起体积流量2%的误差。选择无结垢、无锈蚀管段作为测量点，是仪表测量精度的保证。

（3）被测流体为紊流状态。超声波流量计量测量的流速范围在0～15m/s，从层流到紊流仪表系数有较大的变化，规定仪表的最低流速，以保证仪表性能的正常发挥[4]。

4 结束语

4.1 节约能源

仪表安装后，不产生压力损失，也不会干扰流体，是一种理想的节能仪表，尤其是在大流量计量时，节能效果更加显著。

4.2 适用性强

大多数流量计都有口径相配用的要求，口径变化时必须更换相应口径仪表。而插入式超声波流量计对不同管径不同流量范围都可以适用。

4.3 解决大口径计量难题

其他流量计目前最大口径在1～3m，更大口径计量尚无仪表可选。而插入式超声波流量计可计量口径达5～10m，是大口径计量的唯一选择。

参考文献

[1] 聂梅生总，聂梅生，戚盛豪，等.水资源及给水处理：水工业工程设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2001：33-36.

[2] 汪光焘.城市供水行业2000年技术进步发展规划[M].北京：中国建筑工业出版社，1993：3-11.

[3] 程达.流量计结构、使用、维修和检定[M].北京：中国石油天然气管道局，2015：55-56.

[4] JEMIS032-1987.超声波流量计的流量测量方法[S].北京：中国标准出版社，1987.