超聲波流量計(jì)在氣體計(jì)量中的應(yīng)用

華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 吳志鵬

氣體流量測量是氣體流體供需雙方進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)，也是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)能指標(biāo)。準(zhǔn)確的氣體計(jì)量結(jié)果可以保證貿(mào)易結(jié)算的公平性。由于超聲波流量計(jì)具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、對外界要求相對較低、流量計(jì)本身壓力損失相對較小、測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，超聲波測量在氣體貿(mào)易結(jié)算計(jì)量中的應(yīng)用也變得越來越廣泛。

測量差值管理是氣體流體計(jì)算中的一項(xiàng)重要工作。首先介紹了超聲波流量計(jì)的測量原理，對超聲波流量計(jì)的測量范圍、安裝要求和故障檢測進(jìn)行了描述和研究。同時(shí)，為了獲得更好的流量計(jì)整體維護(hù)和使用效果，在實(shí)際使用過程中，全面了解相關(guān)問題，為其在行業(yè)中的應(yīng)用提供一定的參考。

1 常用氣體流量計(jì)

1.1 渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)的旋轉(zhuǎn)速率隨著流量的變化而改變。一般在流速越大時(shí)，動(dòng)能越大，渦輪轉(zhuǎn)速也越高，因此實(shí)際上屬于一種速度差原理流量計(jì)。在應(yīng)用過程中需要先將流速轉(zhuǎn)換成渦輪轉(zhuǎn)速，在此基礎(chǔ)上得到對應(yīng)的電磁脈沖。最后基于得到的脈沖數(shù)能夠得到流量信息。該氣體流量計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在流量大，準(zhǔn)確性高等方面。但是容易受到雜質(zhì)的影響，降低其應(yīng)用的可靠性。

1.2 孔板流量計(jì)

從結(jié)構(gòu)上來看，孔板流量計(jì)主要?jiǎng)澐譃榱髁匡@示器以及節(jié)流裝置等部分。該流量計(jì)的具體原理是：氣體流量和壓差存在正比關(guān)系，只要測量節(jié)流孔前后的壓差，即可對介質(zhì)流動(dòng)信息進(jìn)行分析。該流量計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在性價(jià)比高、使用年限久以及操作簡單等方面，廣泛應(yīng)用到了實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域中。但其缺點(diǎn)也較多，例如其重復(fù)性不高、量程窄、壓力損失大等。在使用過程中，會有較大因腐蝕、磨損、油污和壓力損失等情況造成的測量誤差。

1.3 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是根據(jù)時(shí)差法原理設(shè)計(jì)的一種流體流量測量儀器，采用先進(jìn)的多脈沖技術(shù)和信號數(shù)字處理技術(shù)。超聲波流量計(jì)的安裝方式采用非接觸式安裝測量，具有無需與被測流體接觸，產(chǎn)生明火的可能性低的優(yōu)點(diǎn)，再加上它對各種工業(yè)場所的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，所以這種流量計(jì)成為目前氣體流量測量中最合適、普及性最強(qiáng)的測量儀表。

2 超聲波流量計(jì)測量原理

超聲波流量計(jì)采用時(shí)差法進(jìn)行流量測量，其工作原理如圖1所示。利用兩個(gè)相對的傳感器發(fā)送和接收超聲波。每個(gè)傳感器都具有信號傳輸和信號接收功能。將超聲脈沖能量以一定的角度在管壁內(nèi)的兩個(gè)傳感器與流體之間傳遞；流體的流速將在一定程度上影響了超聲脈沖在兩個(gè)傳感器之間的傳播時(shí)間。從上游傳感器到下游傳感器，聲速和流體速度混合并變快。從下游傳感器到上游傳感器，聲速抵消了流體速度，變慢。上下游傳播時(shí)間的凈時(shí)間差與流速數(shù)值成正比。由于時(shí)差測量系統(tǒng)中不存在固有的慣性，因此時(shí)差流量計(jì)具有較強(qiáng)的靈敏度，也適用于低流量和低流速情況。

只有一個(gè)通道的流量計(jì)稱為單聲道氣體超聲流量計(jì)，有兩個(gè)或兩個(gè)以上通道的流量計(jì)稱為多通道氣體超聲流量計(jì)。當(dāng)超聲換能器直接與氣體接觸時(shí)，稱為插入式超聲流量計(jì)；當(dāng)超聲換能器與氣體不直接接觸時(shí)，稱為夾鉗式超聲流量計(jì)。

順流傳播時(shí)間：

逆流傳播時(shí)間：

大數(shù)據(jù)時(shí)代，估價(jià)機(jī)構(gòu)業(yè)務(wù)類型正逐步從傳統(tǒng)的以估價(jià)為主模式演變?yōu)樾滦偷墓纼r(jià)與綜合性咨詢服務(wù)并存模式。從服務(wù)客戶來看，主要有金融機(jī)構(gòu)、政府機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)。傳統(tǒng)估價(jià)業(yè)務(wù)主要服務(wù)于金融機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)，隨著市場的不斷細(xì)化和深化，金融機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)對估價(jià)機(jī)構(gòu)也提出了新的服務(wù)需求，比如押品價(jià)值監(jiān)測、貸后批量復(fù)評、房產(chǎn)稅稅基評估等，諸如房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)等大型企業(yè)的投資價(jià)值咨詢、可行性研究、經(jīng)營管理咨詢等新型需求也與日俱增。在這一時(shí)代背景下，以中估聯(lián)行的不動(dòng)產(chǎn)運(yùn)營管理系統(tǒng)和投貸后信息化管理系統(tǒng)、北京國信達(dá)的估價(jià)全程通系統(tǒng)和中國城市二手房指數(shù)為代表的信息系統(tǒng)和平臺應(yīng)需而生。

由式上述順流時(shí)間和逆流時(shí)間可推導(dǎo)出正逆程時(shí)間差：

最終我們可以得到氣體的平均流速為：

式中：

t1為順流時(shí)間；t2為逆流時(shí)間；L代表傳播路徑；θ為傳播路徑與水平夾角。

圖1 超聲波流量計(jì)工作原理圖

3 流量計(jì)安裝和使用注意事項(xiàng)

3.1 安裝要求

（1）超聲波流量計(jì)傳感器必須在管道處于非工作狀態(tài)時(shí)安裝，具體安裝時(shí)需要對兩條支線進(jìn)行交替切換。

（2）確保傳感器安裝單元的尺寸與管徑一致，上下誤差不得超過1%。

（3）超聲波流量計(jì)傳感單元應(yīng)安裝在水平方向45°的范圍內(nèi)，可以有效避免換能器聲波表面受顆粒或空氣干擾。

（4）上下游應(yīng)保證有必要的直管段，上游直管段最少10D，下游直管段至少為5D。

（5）超聲波流量計(jì)安裝需要在無阻力部分，前后避開阻力構(gòu)件如（彎頭、閥門、變徑處）。

（6）換能器安裝處和管道壁反射處必須避開接口和焊縫。

（7）換能器安裝必須達(dá)到一定的要求，特別是管道襯里、垢層需要達(dá)到厚度要求，避免二者之間存在間隙。重視管道內(nèi)壁銹跡的清潔工作，采用合適的方式進(jìn)行清理。

（8）換能器工作表面與管式輸送機(jī)管壁之間應(yīng)選擇合適的耦合劑，防止有其他的傳播介質(zhì)進(jìn)入而降低測量的精度。

3.2 使用注意事項(xiàng)

超聲波以其可靠性高、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，在大流量氣體的測量中占有重要地位。但要充分發(fā)揮其計(jì)量優(yōu)勢，在應(yīng)用過程中必須充分考慮環(huán)境因素對計(jì)量結(jié)果的影響。因此，在使用過程中除了需要滿足國家頒布的《GB/T 18604-2014用氣體超聲流量計(jì)測量氣體流量》使用規(guī)定和其他一些具體操作規(guī)范的要求外，還應(yīng)充分考慮以下因素對測量的影響。

（1）流量計(jì)的流量測量范圍由被測氣體的實(shí)際流速確定。不同的氣體介質(zhì)其實(shí)際流速也有所區(qū)別，例如我們熟知的天然氣。一般來說，天然氣的典型流量范圍為0.3m / s～30m / s，用戶應(yīng)驗(yàn)證超聲波流量計(jì)規(guī)定的使用范圍是否能滿足被測氣體流量的測量要求。

（2）受到諸多外部因素的影響，超聲波流量計(jì)在工作過程中可能會出現(xiàn)一定的誤差，如果外部干擾頻率與其工作頻率基本一致，那么會降低傳輸?shù)男屎途龋罱K測量的流量結(jié)果準(zhǔn)確性降低。因此在具體設(shè)計(jì)與安裝過程中需要考慮到上述因素，使得流場條件保持較高的穩(wěn)定性。

（3）受生產(chǎn)技術(shù)和運(yùn)輸?shù)仍虻挠绊懀粶y氣體中或多或少的會含有一些污染物。如果這些氣體進(jìn)入到流量計(jì)中，則在一段時(shí)間之后必然會有雜質(zhì)聚積在探頭等位置，降低管道內(nèi)徑減小，流量計(jì)的測量結(jié)果會受到一定的影響，真實(shí)數(shù)值以及測量結(jié)果的偏差增大。因此必須重視管道的清潔工作，將其中的雜質(zhì)進(jìn)行清除，同時(shí)需要保證測量氣體的質(zhì)量，避免含有較多的污染物。在檢測流量計(jì)過程中需要采用先進(jìn)的檢測工具，明確流量計(jì)內(nèi)部的雜質(zhì)情況，采取合適的方式及時(shí)清理，避免影響到最終的測量結(jié)果。

（4）必須重視超聲流量計(jì)的維護(hù)與檢測工作，檢測聲道的故障情況，針對存在的異常問題進(jìn)行分析和處理；清理超聲換能器表面的雜質(zhì)，此外還需要對其他的部件進(jìn)行檢測分析。一般需要每年對超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢定，檢定周期最大為2年，否則無法保證其處于正常的工作狀態(tài)。

結(jié)語：因?yàn)榭梢杂行У亟鉀Q傳統(tǒng)接觸式流量測量儀表存在的一些問題，超聲波流量計(jì)近年來在氣體測量領(lǐng)域主要被應(yīng)用于燃?xì)夤艿懒髁繙y量中。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)選擇流量計(jì)時(shí)，必須考慮到多方面的因素，包括測量準(zhǔn)確性以及誤差等，此外價(jià)格、使用便捷性、維護(hù)費(fèi)用以及測量介質(zhì)等因素也需要考慮在內(nèi)，在此基礎(chǔ)上選擇最佳的流量計(jì)。隨著對于超聲波流量計(jì)研究的深入，相關(guān)技術(shù)和設(shè)備必然會更加成熟，而在標(biāo)定內(nèi)容等方面法律制度的完善也為超聲波流量計(jì)的發(fā)展與應(yīng)用提供了保障，所以其在氣體計(jì)量領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也將會越來越廣泛。