超聲波流量計現場檢測中的誤差影響因素探析

吳 波

(廣州能源檢測研究院 廣東 廣州 511447)

引言

以管道運輸為核心手段的工業天然氣運輸，其計量工作的關鍵在于流量計自身的測試效率及其準確度，本文著重探討超聲波流量計實際測量過程中存在的誤差影響因素與相應改進措施，針對外界諸如強電磁場干擾、振動、管徑/壁厚誤差、管道材質及內襯、前后直管段長度等各種潛在成因進行了分析和梳理，研究成果將有助于流量計生產企業設計和制造出性能更為先進的流量計產品，充分發揮超聲流量計高量程比、高精度、無壓損的優勢，促進超聲測流方法技術創新。

一、超聲波流量計工作原理與特征

超聲波流量計是利用運輸工程中介質流動產生的超聲脈沖反饋信息來實現流量測量的一類儀表，一般是由換能器、電子線路、流量顯示系統組成。根據檢測原理的不同超聲流量計又可分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾波法及噪聲法等，以目前市場上使用最普遍的時差法超聲波流量計為例，它具體是通過測量聲波在流動介質中的傳播時間并建立傳播時間差與流速關系方程，進而換算得到流體流量。

圖1 超聲波流量計示意圖

近年來，隨著流量計量技術的持續進步，超聲波流量計得以迅速發展并獲得了廣泛應用，該類流量計的主要性能特點如下：是一種非接觸式測量儀表，無需在管道內部插入任何測量元件，故不存在壓力損失、不改變流體原有流動狀態，流量計安裝、維護和檢修也不影響生產管線運行，使用靈活方便；檢測對象多樣、適應性強，可測量各種液體、氣體介質的流量，包括那些難以接觸和觀察的強腐蝕性、非導電性及放射性流體的流量測量問題；量程比寬、測量范圍廣，且流量計造價并不隨測量管徑的增大而顯著增長，性價比較為合理，因而在大口徑管道流量測量領域具有巨大的技術優勢；此外，由于是非接觸式測量，故測量結果受被測流體介質物性參數影響較小，計量性能穩定可靠。

超聲波流量計所具有的上述優點使它備受社會和市場認可，并逐漸向系列化、標準化發展，現已制成多種不同類型的超聲儀表以適應不同介質、場合及管道條件下的流量測量。然而，在其多年應用中超聲波流量計也逐漸暴露出一些問題，目前存在的局限性主要體現為：可測流體的溫度范圍受超聲換能器及換能器與管道之間耦合材料耐溫性能限制，以及缺乏完整的高溫條件下聲波在被測流體中傳播速度的原始數據，通常只能用于測量200℃以下的流體；易受管道流場變化影響，對前后直管段長度要求比較高，現場環境往往難以滿足；在開展小管徑、小流量測量時相對誤差會顯著增大，也不能用于雜質較多的流體流量測量；另外，超聲流量計的結構和電子線路較其他類型檢測儀表更為復雜。

二、超聲波流量計在線校準誤差影響因素

在使用超聲流量計開展實際測量作業時，由于現場環境復雜，可能存在多項影響計量準確性的因素，主要包括流速分布、換能器安裝方式、管道振動或噪聲、流體溫度、雜質等。

其中，在影響超聲流量計測量精度的眾多因素之中，溫度作為一個重要參量越來越受到人們的重視，由溫度因素引起的誤差的解決方案也被越來越多的研究。這里的溫度主要指環境溫度和介質溫度，其中環境溫度對流量測量的作用主要有兩類：一種是使流體的密度和粘度發生變化從而改變流體的流速分布；另一種是使管道形狀和尺寸變化(管道熱脹冷縮進而使超聲波入射角與傳播距離產生偏離)。另外某些高精度的超聲波流量計在環境溫度變化范圍較大時就可能產生足夠大的流量測量漂移，從而影響測量精度。而介質溫度則主要影響超聲波在流體中的傳播速度，進而影響儀表測量準確度。

管道或超聲換能器表面堆積的阻塞物(如水合物、凝析油、冷凝液等)也會對流量計的測量結果造成誤差，具體表現為：管道里雜質的存在會改變聲波在流體中的傳播路徑、影響超聲信號的發射與接收，而表體內壁上附著的各種臟污一定程度上還會擾亂流體原有流態以及管壁厚度的測量；另外由于聲波在固體中的傳播速度要遠遠大于其在氣液體中的傳播速度，臟污堆積會縮短聲波在流體中的實際傳播時間，進而導致流量計讀數偏大。

超聲流量計測量誤差與流場條件密切相關，而流場影響也是流量計廠商和用戶都很關心的內容，由于受檢測現場空間以及管道鋪設成本等因素限制，對于實際流量測量而言，常常遇到超聲流量計距阻流件較近的情況，根據阻流件類型及影響機理的不同，如彎頭、閥門、漸擴管、漸縮管等，超聲流量計內部的流體流態或流場分布也會發生復雜變化，如速度剖面的畸變、扭曲和漩渦等，進而引起測量偏差。

對于外夾式超聲流量計而言，其使用方便靈活，但在現場應用中常由于工作疏忽，使換能器安裝位置和管道流通面積測量出現偏離，進而導致測量準確性下降，不正確的安裝甚至會使儀表完全不能工作。此外，管道振動及振動產生的噪聲主要會干擾換能器的計時、脈沖及工作頻率，嚴重時會大幅削弱換能器對超聲脈沖信號的分辨力，使其無法正常發射和接收信號，進而影響流量計的計量精度。

三、關于降低超聲流量計測量誤差的措施

根據上述對超聲波流量計現場檢測中計量精度影響因素的分析，為確保測量結果準確可靠、提升流量計檢測能力，需專門針對各誤差影響因素及其作用機理提出相應解決辦法，具體改進或提升措施可從以下幾個方面著手：

(一)完善管道流場分布

超聲流量計在安裝和使用中，一般都要求測量管段前后直管段長度分別不小于10D和5D，多數情況下流量計的安裝條件并不符合規程要求，進而造成讀數不準。該方法本質是通過改進管路設計或儀表安裝效果，適當延長上下游直管段長度可有效降低流體流經阻流件引起的二次擾動，流場越穩定，越有利于流量計測量。此外，如若現場條件不允許，必要時還可在管道上游加裝整流器來實現合理的流速分布，以進一步提升流量測量準確性。

(二)加強監測，減少雜質

針對管道中雜質或臟污堆積可能對計量結果產生不利影響這一問題，可考慮在運輸管道里安裝過濾器，過濾器的尺寸大小與結構應根據管道參數、流體參數等現場數據進行最優設計，過濾器要定期檢查、清理，確保其時刻能處于最佳工作狀態。另外要加強對前后直管段、流量計內壁以及換能器表面的監測，確定合理核查周期、及時組織清洗，還可利用專門的監測軟件對流體中包含的雜質執行實時監測，以最大程度地降低雜質帶來的影響。

(三)控制振動和噪聲

超聲流量計作為一種速度式流量計，對機械振動和噪聲較為敏感，而這些干擾勢必會對測量結果產生很大影響。因而在將該類儀表投入實際檢測工作之前，首先要確保流量計的安裝位置遠離振動或噪聲源，如閥門、彎頭等各種阻流部件，通常流量調節閥應安裝在測試管段下游，并保持一定長度的安全距離。另外由于高流速、大流量工況下引起的管道振動與噪聲較為劇烈，并可同時向上、下游傳播，故如若條件允許還需在流量計與調節閥之間安裝合適的減振和降噪設備。

(四)保證現場溫度和壓力數值的準確

溫度、壓力讀數的準確性直接影響到聲速、天然氣壓縮因子和最終標況流量的計算，現場必須仔細開展核查，務必確保流量計算機內溫壓變送器的測量精度符合規定。室外溫度過高時，壓力變送器受此影響容易產生零點漂移，采取遮陽板等簡易措施可有效將環境溫度控制在正常范圍，或者可選用溫度特性較好的壓電材料將“溫漂”數值降低。另外，現場電磁場或機械干擾較強時，會極大地影響溫壓信號的傳輸過程，此時則需要應用改進后的溫壓補償方案來提高流量測量準確度。

結束語

隨著國內能源形勢日益嚴峻和環保意識不斷增強，“節能減排”、“節能降耗”現已成為我國的基本國策并被大力推廣，這些政策進一步促進了超聲波流量計在天然氣計量領域的應用，同時也對其測量準確度提出了更為嚴格的要求。然而現場流量測量影響因素眾多、作用機理復雜，為了更好地規范或完善超聲波流量計現場檢測方法、提升系統測量能力與不確定度水平，技術人員在檢測過程中應根據具體環境條件與影響因素設計對應的解決方案，以盡可能提高流量計計量精度與作業效率、減少貿易結算糾紛。