存儲式超聲流量計誤差分析

張亞娟 大慶油田測試技術服務分公司

存儲式超聲流量計誤差分析

張亞娟 大慶油田測試技術服務分公司

對存儲式超聲流量計由于系統介質、管路內徑、模擬井管路長度，管路彎道角度的影響產生的測量誤差進行分析研究，以實現提高存儲式超聲流量計在標檢過程中的精度。標檢前排空不到位，介質中仍存留氣泡，將直接影響超聲流量計的測試精度；穩流段的長度不標準，也將影響測試精度；由于水中含有大量的落物，導致超聲測試信號的散射，影響測試精度，因此要保證水質，定期清理水箱，避免有大的懸浮物。

超聲流量計；時差法；誤差；精度

1 工作原理

超聲波在流體中的傳播速度與流體流動速度有關，據此可以實現流量測量。這種方法也不會造成壓力損失，并且可用于大管徑、非導電性、抗腐蝕性的液體或氣體流量的測量。超聲波的發射和接受都要用換能器（傳感器），通常把發射和接收傳感器做成完全相同的結構，可以互換使用或進行雙向收發。超聲波流量計的種類很多，基于時差法的超聲波流量計結構簡單、精度高、穩定性可靠，故選擇時差法超聲波流量計闡明工作原理。

在流體中發射一定頻率的超聲波，傳播相同距離時，順流與逆流之間存在相位差，此差值與流體流速成正比，若管徑固定，則通過相位差可測出流量，如圖1所示。

圖1 超聲波流量測量工作原理

設超聲波在流體中的傳播速度為C，流體的流動速度為V，聲波發射探頭與接收探頭之間的距離為L。

順流時間

逆流時間

時間差

由于流體中聲速C?流體的流動速度V，則式（3）簡化為

流體的流速為

由此可見，流體的流速與超聲波在流體中傳播的順流和逆流的時間差成正比。所以，流體的流量就可表示為

只要能精確測量出超聲波在順流和逆流傳播時產生的時間差，就可計算出相應的流速，進而得到相應的流量。

2 誤差來源

（1）介質中雜質的影響。存儲式超聲流量計是在檢定室內的流量模擬系統（簡稱流標）中標定和檢定的。采用的介質是清水，介質需要提前儲存到水箱中，以清除介質中的氣泡。然后在儀器上、下兩端分別接上、下扶正器，使儀器能夠穩定地固定在井筒管道的中央位置。但是由于長期多次循環使用，井筒內的介質中會含有大量的油污、泥砂、氣泡等雜質。存儲式超聲流量計的發射傳感器發出超聲波信號后，信號經過流體傳播到接收傳感器，由于有雜質和氣泡的影響，信號強度不斷減小，并且強度也不穩定。這些雜質的存在會對超聲波的傳播發生散射，影響超聲波的直線傳播，當傳感器表面磨損，以及液體中夾帶泥砂、氣泡、油污、水生物或碎片堆積而引起信號的過量衰減時（除正常的擴散損失外），也可能產生流速測量誤差。而且，聲信號可能由于碎片的多路反射而失真。

（2）井筒半徑測量誤差。檢定過程中模擬井井筒的半徑測量誤差在流量中表現出來，因為半徑是圓管積分中的一項。為了最大限度地減小這一誤差，應用高精度的測量儀器在若干位置測量其半徑，然后將其平均以補償管的圓度。由于本課題的流量計是工作在模擬井內的，測量模擬井井筒的內徑顯然是不太現實的，只能根據標準模擬井的內徑來計算（標準模擬井的內徑通常為52 mm）。

（3）管路的長度。模擬井管路長度的測量誤差將在流速中表現出來，因為這兩個參數是成正比的。如用鋼卷尺、測徑儀或毫米尺測量每一聲路上兩傳感器間的距離，這一誤差通?？杀３衷?.1%以下。超聲流量計在模擬井中進行檢定時，儀器在軟鏈接的作用下被固定在井筒的某一位置，管路的入口長度和出口長度均有嚴格的規定，入口長度應為管徑的5倍，出口長度應為管徑的10倍。由于儀器長短不一樣，入口長度固定不變，但出口長度會有變化，因此也會給儀器測量帶來誤差。

（4）管路的角度。管路彎道角度的測量誤差將在流速中表現出來，因為流速與聲路角的余弦成反比。聲路角度的測量誤差可直接轉換成流速誤差，為了將這一誤差減小到最低限度，應使用高精度的角度測量儀器，使聲路角的測量誤差可以很小。

（5）非液體的傳播延時。聲路上除運動流體之外，其余部分的傳播時間會引起流速誤差。這包括檢測電路延時，與傳感器有關的超聲波的延時，以及當傳感器與運動流體分離時的靜態延時，都會產生流速測量誤差。檢定中用于控制傳播時間計數器的晶振抖動和漂移也會產生流速測量誤差。

（6）標定系統誤差。對于一支量程為150 m3/d的超聲流量計，其標稱誤差是1.5%。如果儀器在檢定時的結果超過這個范圍，就應該重新標定該儀器。而對于一支合格的儀器，它的精度在1%～2%的概率是最高的。超聲波的工作原理是時差法，即時間差（相位差）越小，流量計的流量也越小，反之越小的流量測量誤差也就越大，所以設置流量點時最小的點流量應不低于5 m3/d。

3 結論

（1）超聲流量計的探頭在標檢前一定要擦洗干凈，否則會影響測試精度。甚至有些污物會直接附著在超聲傳感器上，使傳感器不能發射和接收信號，造成測試失敗。

（2）標檢前排空不到位，介質中仍存留氣泡，將直接影響超聲流量計的測試精度。

（3）穩流段的長度不標準，也將影響測試精度。

（4）由于水中含有大量的落物，導致超聲測試信號的散射，影響測試精度，因此要保證水質，定期清理水箱，避免有大的懸浮物。

（欄目主持關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.022