超声波流量计在气体计量中的应用

华北理工大学电气工程学院 吴志鹏

气体流量测量是气体流体供需双方进行贸易结算的重要依据，也是企业生产经营中的关键技术和产能指标。准确的气体计量结果可以保证贸易结算的公平性。由于超声波流量计具有测量精度高、抗干扰能力强、对外界要求相对较低、流量计本身压力损失相对较小、测量范围宽等优点，超声波测量在气体贸易结算计量中的应用也变得越来越广泛。

测量差值管理是气体流体计算中的一项重要工作。首先介绍了超声波流量计的测量原理，对超声波流量计的测量范围、安装要求和故障检测进行了描述和研究。同时，为了获得更好的流量计整体维护和使用效果，在实际使用过程中，全面了解相关问题，为其在行业中的应用提供一定的参考。

1 常用气体流量计

1.1 涡轮流量计

涡轮流量计的旋转速率随着流量的变化而改变。一般在流速越大时，动能越大，涡轮转速也越高，因此实际上属于一种速度差原理流量计。在应用过程中需要先将流速转换成涡轮转速，在此基础上得到对应的电磁脉冲。最后基于得到的脉冲数能够得到流量信息。该气体流量计的应用优势体现在流量大，准确性高等方面。但是容易受到杂质的影响，降低其应用的可靠性。

1.2 孔板流量计

从结构上来看，孔板流量计主要划分为流量显示器以及节流装置等部分。该流量计的具体原理是：气体流量和压差存在正比关系，只要测量节流孔前后的压差，即可对介质流动信息进行分析。该流量计的应用优势体现在性价比高、使用年限久以及操作简单等方面，广泛应用到了实际生产领域中。但其缺点也较多，例如其重复性不高、量程窄、压力损失大等。在使用过程中，会有较大因腐蚀、磨损、油污和压力损失等情况造成的测量误差。

1.3 超声波流量计

超声波流量计是根据时差法原理设计的一种流体流量测量仪器，采用先进的多脉冲技术和信号数字处理技术。超声波流量计的安装方式采用非接触式安装测量，具有无需与被测流体接触，产生明火的可能性低的优点，再加上它对各种工业场所的环境适应能力强，所以这种流量计成为目前气体流量测量中最合适、普及性最强的测量仪表。

2 超声波流量计测量原理

超声波流量计采用时差法进行流量测量，其工作原理如图1所示。利用两个相对的传感器发送和接收超声波。每个传感器都具有信号传输和信号接收功能。将超声脉冲能量以一定的角度在管壁内的两个传感器与流体之间传递；流体的流速将在一定程度上影响了超声脉冲在两个传感器之间的传播时间。从上游传感器到下游传感器，声速和流体速度混合并变快。从下游传感器到上游传感器，声速抵消了流体速度，变慢。上下游传播时间的净时间差与流速数值成正比。由于时差测量系统中不存在固有的惯性，因此时差流量计具有较强的灵敏度，也适用于低流量和低流速情况。

只有一个通道的流量计称为单声道气体超声流量计，有两个或两个以上通道的流量计称为多通道气体超声流量计。当超声换能器直接与气体接触时，称为插入式超声流量计；当超声换能器与气体不直接接触时，称为夹钳式超声流量计。

顺流传播时间：

逆流传播时间：

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由式上述顺流时间和逆流时间可推导出正逆程时间差：

最终我们可以得到气体的平均流速为：

式中：

t1为顺流时间；t2为逆流时间；L代表传播路径；θ为传播路径与水平夹角。

图1 超声波流量计工作原理图

3 流量计安装和使用注意事项

3.1 安装要求

（1）超声波流量计传感器必须在管道处于非工作状态时安装，具体安装时需要对两条支线进行交替切换。

（2）确保传感器安装单元的尺寸与管径一致，上下误差不得超过1%。

（3）超声波流量计传感单元应安装在水平方向45°的范围内，可以有效避免换能器声波表面受颗粒或空气干扰。

（4）上下游应保证有必要的直管段，上游直管段最少10D，下游直管段至少为5D。

（5）超声波流量计安装需要在无阻力部分，前后避开阻力构件如（弯头、阀门、变径处）。

（6）换能器安装处和管道壁反射处必须避开接口和焊缝。

（7）换能器安装必须达到一定的要求，特别是管道衬里、垢层需要达到厚度要求，避免二者之间存在间隙。重视管道内壁锈迹的清洁工作，采用合适的方式进行清理。

（8）换能器工作表面与管式输送机管壁之间应选择合适的耦合剂，防止有其他的传播介质进入而降低测量的精度。

3.2 使用注意事项

超声波以其可靠性高、准确度高的优点，在大流量气体的测量中占有重要地位。但要充分发挥其计量优势，在应用过程中必须充分考虑环境因素对计量结果的影响。因此，在使用过程中除了需要满足国家颁布的《GB/T 18604-2014用气体超声流量计测量气体流量》使用规定和其他一些具体操作规范的要求外，还应充分考虑以下因素对测量的影响。

（1）流量计的流量测量范围由被测气体的实际流速确定。不同的气体介质其实际流速也有所区别，例如我们熟知的天然气。一般来说，天然气的典型流量范围为0.3m / s～30m / s，用户应验证超声波流量计规定的使用范围是否能满足被测气体流量的测量要求。

（2）受到诸多外部因素的影响，超声波流量计在工作过程中可能会出现一定的误差，如果外部干扰频率与其工作频率基本一致，那么会降低传输的效率和精度，最终测量的流量结果准确性降低。因此在具体设计与安装过程中需要考虑到上述因素，使得流场条件保持较高的稳定性。

（3）受生产技术和运输等原因的影响，被测气体中或多或少的会含有一些污染物。如果这些气体进入到流量计中，则在一段时间之后必然会有杂质聚积在探头等位置，降低管道内径减小，流量计的测量结果会受到一定的影响，真实数值以及测量结果的偏差增大。因此必须重视管道的清洁工作，将其中的杂质进行清除，同时需要保证测量气体的质量，避免含有较多的污染物。在检测流量计过程中需要采用先进的检测工具，明确流量计内部的杂质情况，采取合适的方式及时清理，避免影响到最终的测量结果。

（4）必须重视超声流量计的维护与检测工作，检测声道的故障情况，针对存在的异常问题进行分析和处理；清理超声换能器表面的杂质，此外还需要对其他的部件进行检测分析。一般需要每年对超声波流量计进行检定，检定周期最大为2年，否则无法保证其处于正常的工作状态。

结语：因为可以有效地解决传统接触式流量测量仪表存在的一些问题，超声波流量计近年来在气体测量领域主要被应用于燃气管道流量测量中。在实际工程设计选择流量计时，必须考虑到多方面的因素，包括测量准确性以及误差等，此外价格、使用便捷性、维护费用以及测量介质等因素也需要考虑在内，在此基础上选择最佳的流量计。随着对于超声波流量计研究的深入，相关技术和设备必然会更加成熟，而在标定内容等方面法律制度的完善也为超声波流量计的发展与应用提供了保障，所以其在气体计量领域的应用范围也将会越来越广泛。