时差式超声波流量计在长输原油管道的应用及分析

郭富强

[中图分类号] TE832.1

[文献标志码]A

[文章编号]2095-6487 （2021） 02-0115-03

Application and Analysis of Time Difference Ultrasonic Flowmeter in

Long-distance Crude Oil Pipeline

Guo Fu-qiang

[ Abstract]

Tlus article analyzes the measurement principle of the time difference ultrasonic flowmeter and the performance and characteristics ofits main components， and based on the UFM3030K time difference ultrasonic flowmeter that is widely used in crude oil pipelines， analyzes the key pointsof the technology， according to the site The practical experience of the application has summarized its advantages and provided important guidance andreference for the production and operation oflong-distance crude oil pipelines

[ Keywords] ultrasonic nowmerer; UFM3030K; transducer; sound track; application

近年來，随着国民经济和科学技术的快速发展，流量计量的准确性日益受到人们的重视，而超声波流量计由于其广泛适用性而应用于化工、石油天然气、水力、农业等众多领域中，使超声波流量计快速发展成为流量测量领域的重要组成部分。

1 时差式超声波流量计

时差式超声波流量计主要根据超声波在流体中传播，顺流方向超声波传播速度会增人，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间，利用传播速度之差与被测流体流速之间的关系进而计算介质流速[1]。

1.1 结构组成

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量积算显示单元三部分组成。其电子线路功能包括发射、接收及信号处理。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，接收换能器接收到的超声波信号，经电子线路放人并转换为代表流量的电信号，电信号提供给流量积算显示单元进行积算显示。

1.2 工作原理

如图1所示，设静止流体中声速为C （m/s），流体线平均流速为V（m/s），一组换能器Pl、P2与管道安装成日如，超声波在换能器之间的传播路径长度为L（m）。管道直径为D=Lsin0 （m）。由于超声波速度与流体的温度有关，为了补偿温度对测量结果的影响，必须在顺流和逆流两个方向上同时发射超声波，以便同时考虑加以计算。从Pl到P2顺流发射时，超声波传播时间为n（s）;从P2到Pl逆流发射时，超声波的传播时间为t2 （s）。流体流速矿在超声波运动方向上的速度分量为U=Vcos o（m/s），

当超声波顺流从换能器Pl送到换能器P2时，传播速度C被流体流速矿加快，为：

反之，当超声波逆流从换能器P2传送到换能器Pl时，传播速度C则被流体流速V减慢，为：

式（1）减式（2），可以导出：

在测量路径长度L倾角日以及管道儿何尺寸不变的前提条件下，能通过测量两个计时时间tl和t2计算流体的线平均速度。由式（3）可以导出两次超声波运行的时间差为：

由上公式可知，时间差与流体的线平均流速精确地呈线性关系。但时间差的量值很小，所以时间信号的检测非常重要。时差式超声波流量计的测量精度与超声波传播时间的准确测量密切相关，必须稳定、准确地测量传播时间，有效地对顺、逆流传播时差进行计算。

要求在时间检测过程中，控制发送的压电脉冲和处理接收信号的测量变送器必须有很高的时间分辨率。时差式测量法的流速是声道上的线平均流速n而计算流量所需的是流通横截而的而平均流速Vm，二者的数值是不同的，其差_片取决于流速分布状况。因此，必须用一定的方法对流速分布进行补偿。体积流量Q（ rr13/1i）计算公式为：

武中K为流速分布修正系数，即声道上线平均流速矿和而下均流速Vm之比，即：

管道流体流速分布规律很复杂，层流和紊流是流体流动的两种状态，两种不同流动状态对应着管内的速度分布也不同。

根据流体力学，雷诺数Re是流体流动中惯性力与粘性力比值的量度，即是流体流动状态的一个判断依据。雷诺数Re< 2000为层流状态;雷诺数Re> 4000为紊流状态;雷诺数Re- 2000～4000为过渡状态。雷诺数Re变化，K值将变化。所以要精确测量时，必须对K值进行动态补偿。

1.3 换能器的性能及特点

超声波的发射和接收，需要一种电.声之间的能量转换装置，这就是换能器。换能器处于发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能;反之，换能器处于接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。换能器通常有一个电的储能元件和机械振动系统，如图2所示。

它通过借助压电晶体的谐振来工作，即压电晶体的压电效应和逆压电效应。当在换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶体就会发生共振，带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波;相反，电极未加电压，则当压电晶体受到回波信号时将开始振动，由于逆压电效应，可将机械能转换为电信号，由换能器的接收电路接收。

超声波换能器是超声波流量计的重要组成部分。它是利用超声波技术进行流量测量的关键，它的性能直接影响到整个检测泵统的性能和可靠性，主要体现在以下方面。

（1）频率。超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播。超声波的频率越高，声束扩散如小，能量越集中，方向性好，分辨率也越好。但对同一流体来说，超声波的散射衰减系数和吸收衰减系数分别与频率的四次方和二次方成正比，所以频率越高，超声波衰减越人。

（2）发射强度。由于噪声的影响，接收换能器接收到的信号一般要求在几十毫伏以上，超声波发射的强度越人，相同距离内接收换能器受到的强度也越人，削弱噪声吸收的影响。所以，要使换能器可靠地工作，必须要发射出足够的能量，以便接收换能器分辨处理超声波首波，提高测量精度。声道是超声波通过的路径，声道使超声波可以在流体中进行采样，因此采样面的多少取决于声道的长短和分布。声道的长短是由换能器的信号、换能器发射和接收信号的能力及计时精度决定的，它的数量多少和各种组合形式是由流量计所要求的精度等级来决定的。[3]

单声道超声波流量计是在管道上安装一对换能器构成一个超声波通道。单声道用通过管道轴线的单一路径的线平均流速乘上流速分布修正系数K来代表面平均流速。虽然在基本原理中采用理想的下均速度进行计算，但实际上波速和流速在微观上形成合成速度的关系很复杂，很难采用简单平均的方法进行计算。这种流量计对非轴对称的流态比较敏感，对流态分布变化适应性差，测量精度不易控制。

多声道测量多路径线平均流速，减少流动畸变影响，對流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于人口径管道和流态分布复杂的管道。

换能器在管道上的安装方式可分为外夹式、插入式、管段式三种。①外夹式。外夹式超声波流量计在安装换能器时无需管道断流，即夹即用，具有安装简单、使用方便的特点。但不能适用于管道材质条件不好的工况。②插入式。在管道上打孔，把换能器插入管道内，完成安装。由于换能器在管道内，其信号的发射、接收经过流体，不受管质的限制，但维修和更换比较麻烦。③管段式。把换能器和测量管组成一体，要求切开管道安装流量计，在声道数相同的情况下，其测量精度比以上两种形式的超声波流量计要高。2时差式超声波流量计的应用及优点

2.1 UFM303 0K时差式超声波流量计的应用

时差式超声波流量计在多条原油长输管道上得到使用，如甬沪宁管网、湛江原油管线、日仪线等。针对原油长输管道介质粘稠、管道口径人的特点，选用UFM3 03 0K时差式超声波流量计检测站场进出站管线的流量。其能够较好地完成流量检测反泄漏检测的功能，将数据上传到站控制系统和调度控制中心。

UFM3030K时差式超声波流量计的流量传感器和信号转换器采用一体化的方式组成。它的声道形式为三声道弦状布置，如图3所示。三组测量声道在测量管中对流体的速度分配、流体形态实现了三维交叉分割。多组下行声道在流态上提供最多的信息，对非轴对称的流态进行补偿修正。测量声道的定位使得测量不受流体形态的影响，保证流量计在整个雷诺数范围内都有良好的精度。

UFM3030K的超声波探头采用固定在测量管件上的专利技术，并具有动态增益补偿功能，能克服如固体颗粒、气泡、旋涡、结垢、结蜡引起的干扰。这种具有专利技术的传感器加上创新的电子部分以及数字信号处理器，保证了即使在恶劣的工况下电能实现测量的稳定性和可靠性。UFM3030K在流速人于等于0.5 m/s时，测量流量的精度可以达到±0.3%。UFM3030K的信号转换器可以输出标准模拟信号和（或）脉冲/频率信号，通信协议有HART协议或Profibus PA。除了实际体积流量测量，还可以输出质量流量、瞬时流量、累计流量。并且具有附加功能：用外部压力和温度输入计算标准的体积或质量流量。

UFM3 03 0K安装方式力管段式，嵌入在工艺管道中。为使流体状态最佳，达到指定的精度，需确保入口段有直的10×DN （DN=流量计尺寸）的长度，出口段有5×DN的长度。UFM3030K可以在室外露天安装，并处于爆炸危险场所区域内，其防爆等级为ExdIICT3，防护等级为IP67，满足原油管道现场的使用要求。

2.2 UFM3030K时差式超声波流量计的优点

（1）作为非接触式仪表，该仪表无压力损失，不改变流体的流动状态。这在工业流量仪表中具有的独特优点。

（2）口径范围广、量程比人，即使在低流量区也有极佳的精度。原理上不受管径限制，使用时不必严格考虑管材和壁厚，且其造价基本上与管径无关，更适合于人管径、人流量的场合。而其他流量计随着管径的增人，制造成本会人幅度增加。

（3）超声波流量计的输出信号与被测流体流量成线性关系并且具有双向流测定的功能。精度表现与介质性质无关，不受黏度、密度、温度、压力、电导率的影响。具有完整的自诊断功能，不断检查仪表状态和工况情况。

（4）对介质儿乎无要求，通用性强。只要能传播声波的流体皆可用超声波流量计测量流量，如导电/非导电、高压、高黏度、强腐蚀、易挥发、易爆、放射性介质等。流体中的固体颗粒或气泡对测量结果的影响很小，允许含有5？6固体和2%气体。因榆测件无需与流体接触，可避开恶劣条件下的被测对象，为测量带来很人的好处和便利。

（5）结构合理、便于维护。流量传感器无阻隔，经过处理的表而光滑，不易粘挂。没有插入或移动部件，所以没有磨损、剥落或附加压损。因此该仪表无需重新校验，可实现多年免维护并且始终有效工作，使得操作与维护成本降至最低。

（6）重量轻，结构紧凑，易于安装和调试。不需要过滤器、滤网、支撑、接地或与振动源隔离。由于该仪表免维护，因此可以安装在很难到达的地方。

3 结束语

原油长输管道的站场已大量地使用时差式超声波流量计，通过多年的实际使用，现场反应情况良好，故障率低，具有较高的稳定性。由此可见，从时差式超声波流量计自身在人口径管道工程中的优势和现场的良好表现来讲，它将在未来的管道工程中会有更为广泛的应用前最，只需要根据用途和场合，就可以选择合适的时差式超声波流量计。

参考文献

[1]陈亦文，邱公伟.超声波流量计的原理、应用和发展[J]福建电脑，2002 （9）：34-36

[2]《计量测试技术手册》编辑委员会计量测试技术手册第6卷[M].北京：中国计量出版社，1996

[3]石泓然气体超声波流量计声道的设计与应用[J]仪表技术，2011 （11）：1-4，7