超声波流量计现场检测中的误差影响因素探析

吴 波

(广州能源检测研究院 广东 广州 511447)

引言

以管道运输为核心手段的工业天然气运输，其计量工作的关键在于流量计自身的测试效率及其准确度，本文着重探讨超声波流量计实际测量过程中存在的误差影响因素与相应改进措施，针对外界诸如强电磁场干扰、振动、管径/壁厚误差、管道材质及内衬、前后直管段长度等各种潜在成因进行了分析和梳理，研究成果将有助于流量计生产企业设计和制造出性能更为先进的流量计产品，充分发挥超声流量计高量程比、高精度、无压损的优势，促进超声测流方法技术创新。

一、超声波流量计工作原理与特征

超声波流量计是利用运输工程中介质流动产生的超声脉冲反馈信息来实现流量测量的一类仪表，一般是由换能器、电子线路、流量显示系统组成。根据检测原理的不同超声流量计又可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤波法及噪声法等，以目前市场上使用最普遍的时差法超声波流量计为例，它具体是通过测量声波在流动介质中的传播时间并建立传播时间差与流速关系方程，进而换算得到流体流量。

图1 超声波流量计示意图

近年来，随着流量计量技术的持续进步，超声波流量计得以迅速发展并获得了广泛应用，该类流量计的主要性能特点如下：是一种非接触式测量仪表，无需在管道内部插入任何测量元件，故不存在压力损失、不改变流体原有流动状态，流量计安装、维护和检修也不影响生产管线运行，使用灵活方便；检测对象多样、适应性强，可测量各种液体、气体介质的流量，包括那些难以接触和观察的强腐蚀性、非导电性及放射性流体的流量测量问题；量程比宽、测量范围广，且流量计造价并不随测量管径的增大而显著增长，性价比较为合理，因而在大口径管道流量测量领域具有巨大的技术优势；此外，由于是非接触式测量，故测量结果受被测流体介质物性参数影响较小，计量性能稳定可靠。

超声波流量计所具有的上述优点使它备受社会和市场认可，并逐渐向系列化、标准化发展，现已制成多种不同类型的超声仪表以适应不同介质、场合及管道条件下的流量测量。然而，在其多年应用中超声波流量计也逐渐暴露出一些问题，目前存在的局限性主要体现为：可测流体的温度范围受超声换能器及换能器与管道之间耦合材料耐温性能限制，以及缺乏完整的高温条件下声波在被测流体中传播速度的原始数据，通常只能用于测量200℃以下的流体；易受管道流场变化影响，对前后直管段长度要求比较高，现场环境往往难以满足；在开展小管径、小流量测量时相对误差会显著增大，也不能用于杂质较多的流体流量测量；另外，超声流量计的结构和电子线路较其他类型检测仪表更为复杂。

二、超声波流量计在线校准误差影响因素

在使用超声流量计开展实际测量作业时，由于现场环境复杂，可能存在多项影响计量准确性的因素，主要包括流速分布、换能器安装方式、管道振动或噪声、流体温度、杂质等。

其中，在影响超声流量计测量精度的众多因素之中，温度作为一个重要参量越来越受到人们的重视，由温度因素引起的误差的解决方案也被越来越多的研究。这里的温度主要指环境温度和介质温度，其中环境温度对流量测量的作用主要有两类：一种是使流体的密度和粘度发生变化从而改变流体的流速分布；另一种是使管道形状和尺寸变化(管道热胀冷缩进而使超声波入射角与传播距离产生偏离)。另外某些高精度的超声波流量计在环境温度变化范围较大时就可能产生足够大的流量测量漂移，从而影响测量精度。而介质温度则主要影响超声波在流体中的传播速度，进而影响仪表测量准确度。

管道或超声换能器表面堆积的阻塞物(如水合物、凝析油、冷凝液等)也会对流量计的测量结果造成误差，具体表现为：管道里杂质的存在会改变声波在流体中的传播路径、影响超声信号的发射与接收，而表体内壁上附着的各种脏污一定程度上还会扰乱流体原有流态以及管壁厚度的测量；另外由于声波在固体中的传播速度要远远大于其在气液体中的传播速度，脏污堆积会缩短声波在流体中的实际传播时间，进而导致流量计读数偏大。

超声流量计测量误差与流场条件密切相关，而流场影响也是流量计厂商和用户都很关心的内容，由于受检测现场空间以及管道铺设成本等因素限制，对于实际流量测量而言，常常遇到超声流量计距阻流件较近的情况，根据阻流件类型及影响机理的不同，如弯头、阀门、渐扩管、渐缩管等，超声流量计内部的流体流态或流场分布也会发生复杂变化，如速度剖面的畸变、扭曲和漩涡等，进而引起测量偏差。

对于外夹式超声流量计而言，其使用方便灵活，但在现场应用中常由于工作疏忽，使换能器安装位置和管道流通面积测量出现偏离，进而导致测量准确性下降，不正确的安装甚至会使仪表完全不能工作。此外，管道振动及振动产生的噪声主要会干扰换能器的计时、脉冲及工作频率，严重时会大幅削弱换能器对超声脉冲信号的分辨力，使其无法正常发射和接收信号，进而影响流量计的计量精度。

三、关于降低超声流量计测量误差的措施

根据上述对超声波流量计现场检测中计量精度影响因素的分析，为确保测量结果准确可靠、提升流量计检测能力，需专门针对各误差影响因素及其作用机理提出相应解决办法，具体改进或提升措施可从以下几个方面着手：

(一)完善管道流场分布

超声流量计在安装和使用中，一般都要求测量管段前后直管段长度分别不小于10D和5D，多数情况下流量计的安装条件并不符合规程要求，进而造成读数不准。该方法本质是通过改进管路设计或仪表安装效果，适当延长上下游直管段长度可有效降低流体流经阻流件引起的二次扰动，流场越稳定，越有利于流量计测量。此外，如若现场条件不允许，必要时还可在管道上游加装整流器来实现合理的流速分布，以进一步提升流量测量准确性。

(二)加强监测，减少杂质

针对管道中杂质或脏污堆积可能对计量结果产生不利影响这一问题，可考虑在运输管道里安装过滤器，过滤器的尺寸大小与结构应根据管道参数、流体参数等现场数据进行最优设计，过滤器要定期检查、清理，确保其时刻能处于最佳工作状态。另外要加强对前后直管段、流量计内壁以及换能器表面的监测，确定合理核查周期、及时组织清洗，还可利用专门的监测软件对流体中包含的杂质执行实时监测，以最大程度地降低杂质带来的影响。

(三)控制振动和噪声

超声流量计作为一种速度式流量计，对机械振动和噪声较为敏感，而这些干扰势必会对测量结果产生很大影响。因而在将该类仪表投入实际检测工作之前，首先要确保流量计的安装位置远离振动或噪声源，如阀门、弯头等各种阻流部件，通常流量调节阀应安装在测试管段下游，并保持一定长度的安全距离。另外由于高流速、大流量工况下引起的管道振动与噪声较为剧烈，并可同时向上、下游传播，故如若条件允许还需在流量计与调节阀之间安装合适的减振和降噪设备。

(四)保证现场温度和压力数值的准确

温度、压力读数的准确性直接影响到声速、天然气压缩因子和最终标况流量的计算，现场必须仔细开展核查，务必确保流量计算机内温压变送器的测量精度符合规定。室外温度过高时，压力变送器受此影响容易产生零点漂移，采取遮阳板等简易措施可有效将环境温度控制在正常范围，或者可选用温度特性较好的压电材料将“温漂”数值降低。另外，现场电磁场或机械干扰较强时，会极大地影响温压信号的传输过程，此时则需要应用改进后的温压补偿方案来提高流量测量准确度。

结束语

随着国内能源形势日益严峻和环保意识不断增强，“节能减排”、“节能降耗”现已成为我国的基本国策并被大力推广，这些政策进一步促进了超声波流量计在天然气计量领域的应用，同时也对其测量准确度提出了更为严格的要求。然而现场流量测量影响因素众多、作用机理复杂，为了更好地规范或完善超声波流量计现场检测方法、提升系统测量能力与不确定度水平，技术人员在检测过程中应根据具体环境条件与影响因素设计对应的解决方案，以尽可能提高流量计计量精度与作业效率、减少贸易结算纠纷。