超聲波流量計工作原理及減小計量誤差方法

王浩

（四川宇泰安全科技有限責任公司，四川 成都610200）

1 概述

固定外夾式超聲波流量計具有準確、穩定、操作簡便，只需將傳感器按規定方式夾在管道上就可以測量，無需破管道，而且測量精度比較準確，廣泛應用氣田集輸、凈化等領域。通過掌握其工作原理，使用和安裝方法對高含硫天然氣的計量非常重要。

2 超聲波計量工作原理

2.1 基本原理

超聲波流量計是基于流體流動過程中對其內部聲波信號產生影響，并通過檢查聲波信號的變化來獲取流量信息。當被測介質處于不同的流速狀態時，超聲波脈沖在其內部的傳播速度相對固定的坐標系統（如儀表殼體）是不同的，傳播速度的變化量和介質的運動速度有關。現有的超聲波計量方法可以分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相關法以及噪聲法等類型[1]。

其中，傳播速度差法采用了超聲波脈沖順流和逆流傳播時速度之差來反映流體的流速，實現測量流速的目的，被廣泛應用于油氣集輸、凈化等領域。該測量方法常用的現場安裝方法如圖1 所示，包括V 法、X 法以及Z 法。

圖1 傳播速度差法的三種基本布道方式

氣體的超聲流量測量存在傳播衰減大、信號不穩定、信噪比低、聲透射率不穩定、聲學噪聲干擾等影響，流量計計量精度、穩定性、重復性等指標不確定性增大，四川某氣田現場采用Z 法（直射法）的安裝方式，降低超聲波信號的衰減程度，提高計量準確性。

2.2 計算方法

圖2 給出了超聲波流量計Z 法安裝方式的簡化結構，安裝角φ 是Tx1 和Tx2 兩個換能器相對于管道軸線的夾角，管徑為D。

圖2 超聲流量測量示意圖

超聲波的實際傳播速度c 是聲速c0和流體在聲道方向上的速度分量υcosφ 的和：

根據公式（6）可以獲得超聲脈沖傳播路徑上的流體線平均流速v，獲得體積流量還需要進一步換算。為了確定整個管道橫截面上的流體平均軸向流動速度，就需要知道流量修正系數Kh，系數Kh是通過在流量計管段內的速度分布剖面導出，由此獲得流量計聲道上的平均流速和整個管道的面平均流速的關系：

2.3 誤差原因

根據超聲波流量計的計量原理及計算公式以及測量不確定度分析，從誤差源的性質和發生原因[2-3]可以歸結為以下幾點：

（1）超聲傳播時延估計使用的時間基準誤差。

（2）超聲的實際傳播長度誤差。

（3）安裝效應導致面平均流速測量誤差。

（4）信號失真導致的流場信息獲取不準確。

3 超聲波流量計減小誤差的方法

（1）測量位置應選在探頭上游大于10D 和下游大于5D，充滿液體的直管段處；雙彎管和半開閥需要更多直管段；對于外夾式氣體系統，建議最小采用20 倍的上游直管段[4]。

（2）測量點選擇應盡可能遠離泵、閥門等設備，避免干擾。因要盡可能測量平直流體，避免紊流帶來的測量誤差。

（3）傳感器在水平管線上安裝時，應與垂直線有最小20°的夾角。以避免氣體在管道頂部聚集時產生的波束干擾[5]。

（4）避免在雷諾數過渡區測量，當1000

（5）測量點處應無焊縫，無振動及無電磁干擾源等；提供測試管道設計參數，現場用卡尺或鋼卷尺和超聲波測厚儀對管道外徑及壁厚進行復核，為減小誤差，管道外徑及壁厚應進行多點測量后取其平均值。

（6）管路管材應均勻密實，易于超聲波傳播。

（7）必須把待安裝換能器的金屬管道表面打磨3 倍探頭面積，去掉銹跡油漆，使管壁表面光滑平整，露出管道金屬的原有表面并保持原有弧度。

（8）氣體超聲波流量計與液體超聲波流量計相比，測量信號更容易受到噪音信號干擾，如果信噪比在10:1 以下，就無法準確測量[6]。因此在將換能器固定在管道上前，為減小管道噪音信號對測量結果的影響，應在管道外壁粘貼氣體耦合劑薄膜，貼時應盡量減少氣泡的產生，防止空氣、沙塵和銹跡進入；如產生氣泡應將氣泡弄破，釋放出氣體。

（9）充分考慮管內硫沉積，結垢和腐蝕等狀況，盡可能選擇管內無沉積物，無腐蝕的管段進行測量。

（10）夾具應固定在換能器的中心部分，使之不易滑動。

4 抗噪膜技術應用

由于四川某氣田X 集氣站管道材質不均勻，造成超聲波反射和散射形成雜波而產生噪音，嚴重影響測量信噪比，導致計量誤差大，現場顯示數據比實際產氣量偏低。抗噪膜（或稱阻尼膜）技術能過濾反射波，保留透射波，有效去除噪音，提高信噪比，并且對管壁無影響，是一種提高計量精度的高效方法。

4.1 抗噪膜厚度計算

抗噪膜的厚度以四分之一超聲波波長選擇，對應頻率采用探頭的中間頻率為144，諧振頻率32/144 =0.222 MHZ，波長λ表達式為：

聲速在抗噪膜的數值為1838160 mm/s，可以計算的得到超聲波波長為8.28mm 那么抗噪膜的厚度按1/4 波長來選擇，則抗噪膜的厚度為2.07mm。

以CC129 參數規范，每張抗噪膜的厚度是0.027inches，換算單位后約為0.69mm，因此在該工況條件下需要使用3 張抗噪膜，能夠實現有效降低噪音影響。

4.2 應用效果

以四川某氣田X 集氣站外輸流量為例，安裝抗噪膜前信噪比為5:1，瞬時流量為15.2 萬方/天，信噪比低于10:1 的計量要求，并且測得流量與實際不相符。添加3 層CC129 抗噪膜后信號強度得到增加，信噪比提高至43，外輸流量顯示為29.5 萬方/天，該氣量符合生產實際，圖3、圖4 所示。

圖3 安裝抗噪膜前后信噪比

圖4 安裝抗噪膜前后外輸流量

5 結論

超聲波流量計利用聲波傳播速度與流體流速存在矢量疊加關系，通過檢測聲波信號的變化來獲取流量信息，能夠實現快速、準確計量流量，但由于安裝問題、、工況條件等因素使得信號失真，導致計量誤差較大。本文介紹了10 中減小超聲波計量誤差的方法，當現場信噪比低于技術規范要求，使用抗噪膜技術能夠有效濾除噪音影響，是現場提高超聲波計量精度有效方法。