噪音对超声流量计计量性能的影响及其改进措施

刘博韬

中国石化天然气分公司 计量研究中心 （湖北 武汉 430073）

气体超声流量计具有准确度高、测量范围宽、无流阻部件、可双向测量等优点，被广泛应用于天然气贸易交接计量。经过多年的应用，气体流量测量多采用时差法超声流量计[1]。它是通过处理超声波信号获得天然气流量，所以噪声声波干扰成为影响超声波流量计可靠性和准确度的主要因素之一[2]。国内外气体超声流量计使用标准[3-4]也对防止流量计声学噪音提出了相关要求。目前有针对气体超声流量计噪声影响分析和改进措施的相关研究[5-7]，但都集中在输气站场改造和降噪技术分析，缺少成套的输气站场降噪系统工艺设计方案。

1 噪声源分析

目前在超声流量计计量系统中，噪声源主要有以下几种。

1）超声流量计自身产生电噪声[1]，主要指环境以及电路中的磁电信号引起的干扰，器件的热噪声引起的干扰等。这类噪声一般是在元器件工作时才出现，是非随机产生的。如外供电源中的高次谐波噪声；电路板布线不合理引出的高频晶体振荡器带来的噪声。

2）工艺设备产生噪声，主要有调压装置、节流阀、汇管等，其中以节流件产生的节流噪声对超声流量计的影响最为常见。各种“无噪音”阀门通过将声能转换到20 kHZ的超声频段以获得听觉上的无噪，因此调压装置成了产生声学干扰的主因素[8]。

3）安装运行不规范产生噪音，如前后直管段配管不合理、突出的探头、管道内的突出物等，均可产生噪声，增加对计量准确性的影响。

4）工作环境噪音影响，环境噪音引起超声流量计信号失真。

2 降噪措施

2.1 流量计本身的降噪措施

针对可能会出现的噪声干扰，流量计生产厂家在设计中也会从多方面综合考虑，采取一些抗干扰的措施[1]。

1）一般计量系统中调压器的主频是在60 kHz左右，适当提升换能器的频率，避开调压装置的谐振主频范围。同时，增强信号处理单元的电容和电感滤波电路，过滤掉调压器的次谐振频率。

2）对流量计中的超声换能器芯片采用技术手段，使其包裹在全金属组成的屏蔽层中间，抵抗外界的电磁干扰。

3）在超声换能器内部结构设计时，考虑从机械结构件上传输过来的噪声的影响，加装减振部件。

4）电路板设计时，在供电电源部分增加隔离电路，选用优质的电源模块。降低电路对噪声的敏感度，减少噪声的拾取，切断外部噪声耦合路径。对于信号处理单元的内部，采用模拟地和数字地地线分离的手段，多点接地，合理布线。

2.2 工艺降噪措施

2.2.1 在流量计下游合理位置安装调节装置

由于流体流动和节流件结构影响，一般情况下，向调节阀下游传播的噪声能量比向上游传播的噪声能量更大，故应尽量将调压装置安装在超声流量计下游，并确保足够的安装距离。

调压器（阀）的工作频率通常在30～110 kHz，而气体超声流量计的换能器频率设计在120～200 kHz，通过选择较高频率的换能器，增大流量信号与噪声的频率差，增强流量信号和噪声的辨识度，基本可以大幅降低或消除调压器（阀）的声学噪声影响。

2.2.2 加设降噪装置

超声波降噪器又叫消声器或消噪器，是利用附有吸声衬里的管道及弯头，截面积突然改变及其他声阻抗不连续的管道等降噪器件，使管道内噪声得到衰减或反射回去，从而实现消噪功能。部分降噪器和整流器一体化设计，实现降噪和整流双重功能[9-10]；部分消噪器可将噪声降低约30%[11]。

2.2.3 加装特殊管道组件

将一定数量的管道组件安装在调节阀与超声波流量计之间，通过阻碍声波的传播或经过多次反射，减弱噪声的能量，实现降噪目的。所有的管道组件都可以衰减噪音，衰减的程度与频率相关[3]。噪音频率在200 kHz时，不同管道组件所具备的降噪能力见表1。

表1 200 k Hz时不同管道组件降噪能力

由表1可知，弯头和三通可显著降低超声波噪音。在调节阀与流量计之间安装热交换器或过滤器，所发挥的降噪作用将高于弯头和T形管。

3 设计方案

在气体超声流量计的电路设计中虽已能有效避免电噪声的干扰，但对于调压器（阀）（含调压和调流）等降压节流元件所产生的声学噪声干扰，因其随压力和流量交变及不同安装位置所形成的环境，会产生不一样的声学噪声，很难在实验室条件下得以模拟，所以优化工艺布局解决声学噪声干扰问题，对气体超声流量计稳定可靠计量就显得十分重要。在设计阶段，对潜在的噪声源进行充分论证，从场站工艺布置、设备选型等方面统筹考虑，从源头上减少噪声干扰，是气体超声流量计计量系统稳定可靠使用的有效保证。下面介绍几种常用计量调压橇的工艺布局方案[12]。

3.1 计量橇和调压橇单路成串

计量橇和调压橇单路成串设计工艺布置方式，在近几年的省市级燃气输气工程设计中得到愈来愈多的应用。超声流量计和调压设备之间设计单个π型降噪管以消减下游调压设备回传的声学噪声，具有设备结构紧凑、占地面积少、投资费用少的特点。工艺流程如图1所示。

3.2 计量橇和调压橇各自独立带有汇管

计量橇和调压橇各自独立带有汇管这种工艺布置方式，在长输管线大型分输计量站中应用较多。其特点是各系统模块化、集成度高、功能完备并且有相对独立性，计量橇和调压橇之间工艺配置界面清晰，分别设有独立的计量和调压汇管，汇管之间通常通过埋地的管道相连，有效地消除调压器所产生的声学噪声。该管道布置沿纵向跨距大，场站占地面积较大，相对建设成本较高，对于地方燃气公司等中小型企业的工业用户则显得费用投入高。工艺流程如图2所示。

图1 计量橇和调压橇单路成串

图2 计量与调压各自独立成橇

3.3 计量橇与调压橇之间单汇管和简易降噪管组合

计量橇与调压橇之间采用单汇管和简易降噪管(一个T形管和一个弯管)组合设计，在城市燃气门站、城市管网的输配站广泛应用。其设计特点是管线布局结构紧凑，通过简易降噪管和汇管能有效消除下游调压器（阀）带来的噪声干扰，保证气体超声波流量计获得优良的使用性能。该方案可减少一根汇管配置，场站占用地面积也相对减少，对场站建设费用投入也会降低。工艺配置方式如图3所示。

3.4 计量橇与调压橇之间有共用汇管连接

计量橇与调压橇之间有共用汇管连接设计方案，主要针对需改建使用气体超声流量计计量，适合现场汇管两面出口大于3D（D为汇管的直径）条件的工艺布局场合。这种工艺布置对气体超声波流量计的抗噪适应性要求较高，依据目前国内外主流品牌气体超声波流量计的技术现状，在计量橇支路和调压橇支路的横向跨距间隔至少大于3D的跨距，才能消除下游调压器（阀）带来的噪声干扰，保证气体超声波流量计获得优良的使用性能。此设计方案虽然减少一根汇管的配置，但场站占地面积仍然较大，场站建设费用投入下降不明显。工艺流程如图4所示。

图3 工艺配置方式

3.5 计量与调压橇装改造的Z型交叉

计量与调压橇装改造的Z型交叉设计方案，常用于一些原双路涡轮流量计计量调压橇装的设计改造上。这种工艺布置是通过Z字型交叉工艺连接方式，克服流量计与调压器距离太近无法放置π型降噪器，利用管道之间的跨度来安装π型降噪器，以消除调压器（阀）声学噪声对超声信号的干扰。此方案虽然占地面积少，但改造施工必须在场站内部动火切割焊接，施工安全准备工作较关键。工艺流程如图5所示。

图4 计量橇与调压橇之间有共用汇管连接

图5 计量橇与调压橇通过Z型交叉工艺管道连接

4 结束语

随着超声流量计在天然气贸易计量中的广泛应用，如何有效降低或消除噪声对计量准确性的影响已成为业界关注的问题。在输气站场设计标准化和模块化的趋势下，用户应考虑在特定安装条件下是否会存在噪音干扰，在站场设计阶段应向超声流量计生产厂家和调节阀生产厂家咨询，制定标准化的超声流量计计量调压流程，利用各种降噪管道组件、降噪器等，综合考虑计量系统可靠性和建设成本经济性，选用推荐的设计方案，可以保障气体超声流量计计量工作准确和稳定运行。