一、超声波流量计简介

外夹式或者管段式超声波流量仪表是以“速度差法”为原理，测量圆管内流量的仪表。它采用了先进的多脉冲技术、信号数字化处理技术及纠错技术，使流量仪表更能适应工业现场的环境，计量更方便、经济、准确。产品达到国内外先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。

 

1. 超声波流量计原理

1.1 根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法( 直接时差法、时差法、相位差法和频差法 )、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

 

1.2 超声流量计和超声波流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，它是发展迅速的一类流量计之一。

 

超声波流量计采用时差式测量原理：一个探头发射信号穿过管壁、介质、另一侧管壁后，被另一个探头接收到，同时，第二个探头同样发射信号被非常好个探头接收到，由于受到介质流速的影响，二者存在时间差 Δt，根据推算可以得出流速 V和时间差 Δt 之间的换算关系 V=(C2/2L)×Δt，进而可以得到流量 Q 值。

 

二、超声波流量计存在的测量缺点

超声波流量计目前存在的缺点首先是可测流体的温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。工业流量计量介质流速一般为每秒几米，超声波在气相介质中的传播速度一般情况小于 1600M/S，因此工艺介质流速与超声波在工艺介质传播速度之比大于 10-3，在理论推导计算时忽略此部分存在计量误差增大。

 

一般计量精度要求达到 1%[2]，因此需要在处理计算时增加误差补偿实现削减误差，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前提下才能得到实际应用的原因。其次在气相介质测量时由于噪声也会引起超声波流量计的准确精度，测量气相介质时，超声波流量计上下游的阻尼原件（如阀门、弯头、变径等）会产生除了能达到人耳频率范围内声音外还能产生人耳无法听到高频超声波，当这种声波的频率与气体超声波流量计的工作频率相近时气体超声波流量计信噪比降低，从而影响流量计的测量准确度。此外被测介质的颗粒大小以及杂质含量也对测量精度产生影响，特别是在天然气净

化厂出厂后没有达到净化指标，造成管输过程介质微粒体积不均衡，影响超声波传播和反射时间，导致延迟或提前，致使流量计工作不正常，影响超声波流量计计量精度。

 

三、超声流量计在天然气计量中的应用

在不断改进下，超声流量计的应用范围越来越广，在水利检测、工业生产等领域都有应用。其测量精度虽然很高，但是管道安装复杂多样，使其稳定性和可靠性有所降低。除此外，在应用中还会出现一些使用故障，需及时进行处理。

 

1. 影响因素

①管道中的部件和阀门较多，容易产生噪音，噪音的频率一旦接近超声流量计正常工作的频率，势必会影响频率的接收，讯号传递的时间差的精确度也将有所降低，不利于天然气的测量。相关资料显示，在某些环境下，噪声对流量计的测量精确度及重复性危害很大，高达 2%。为削弱噪音产生的不利影响，在设计时，应尽量达到无障碍、无弯头的标准；流体要想保持均匀稳定，调节阀应尽量安装在下游；在选择计量计时，从优质厂家购置，保证具备较强的过滤能力，提高脉冲的接收能力。

 

②在天然气计量中，若上下游有阻力存在，会对天然气的流动状态造成一定程度的影响，从而使测量的误差增大，误差的大小和速度分布畸变的程度等因素有关。为保证天然气处于一种正常的流动状态，常见的做法是在上下游安装一段直管道，且直管段越长，测量效果越是显著。据国家相关规定，直管段应有非常低限制，如果没有安装整流器，上游非常短应设置为10D，下游则为 5D。此为一般情况，若条件较为复杂，上游设置 10D 是不够的，应设置为 20D。若安装整流器，相应的配管长度需结合实际试验确定。

 

③另外，若天然气中带有油渍或脏水等污染物质，在超声流量计中流动时，流量计的管内壁会粘附脏物，从而影响到测量，首先，管道内的实际空间缩小，测出来的流量会显示偏大；其次，管内壁的粗糙度会有所增加，以致于声音讯号在反射中散射，甚至衰减，不利于流量计的测量精确度。脏物还有可能出现在超声波探头上，减少超声波的传输时间，以致于读数和实际有误差。为避免这些现象，应定期对天然气的质量进行监测，若有脏物应及时清理，当前多使用相关监测软件，来监测计算管内壁脏的程度。

 

④在长期的使用中，流量计中的电子元件难免出现老化、性能下降等情况，从而引起计量误差的出现，在维护中需对此加以重视，需专业的技术人员亲自检查，进行现场维修。除了关键部件，其他外部设备的维护也尤为重要，如压力变送器、一体化温度变送器等，与测量的准确度关系密切，应做好相应的检定维护工作；外设电源系统对超声流量计的运行状态和使用寿命有很大影响，应保证其稳定性和安全性；另外，线路出现问题势必也会影响到计量的温度、时间等，从中可知，每一个环节都发挥着不可代替的作用，需加以重视，才能保证整个系统的完整。

 

2. 故障与处理

①在测量过程中，有时天然气处于正常的流动状态，但是流量计没有显示，出现这种状况，可能是显示单元损坏所致，也可能是保险丝被烧断造成，重要接口接触不良或不牢固也会出现此状况。因此，在测量之前，应做好各项检查工作，保证控制器的显示没有故障代码，若有，应及时调整；用专业的欧姆表对接口和保险丝进行测定，有不合格者，需及时更换。

 

②测量中难免会出现误差，但误差应控制在非常小范围内，若误差偏大，则有可能是管道状态不合标准，管内有堆积物或管内壁粘有脏物等造成。为缩减误差，需对管道的材质、管内壁、以及管壁厚度等仔细检查，保证符合标准；若管内壁粘附脏物或锈蚀层，内径面积将减少，从而引起误差，应根据具体情况进行清理，如有必要，更换管道；管道内有堆积物时，要么将其清除，要么更换到其他地点安装；直管段应符合天然气的均匀流态。如果还不能解决问题，应检查流量计的调整和存在问题。

 

四、超声流量计在天然气计量实际应用案例

案例：某长输管道输天然气气站采用 DN250 的超声流量计，进行计量后向省管网供气，非常大工作压力为 10MPa。进站压力为 5.4MPa，出站压力为 2.5MPa，流量计安装正确。投产初期，发现流量计计数与下游管网首站同类型超声流量计偏差超过 10%。

 

由于投产前用水作为试压介质对管道进行了通球清管。试压、清管结束后未干燥彻底，管道内残留部分湿空气。站内管道裸露在空气中，且天然气气压力较高，导致管道内积水结冰。通过注醇、在裸露管道上增加保温层、清管，降低了天然气的水露点，提高管内气体温度，减少了管道内积水，有效解决了冰堵，使流量计测量误差控制在双方商定范围之内。

 

1. 实际生产应用中的注意事项

（1）使用超声波流量计应保持超声波探头清洁，信噪比如果太接近界限值，计量误差会很大，表体前后的直管段清洁程度也会影响计量结果。

（2）用于贸易结算的超声波流量计以及相关的二次仪表，应该依据相关要求按一定周期检定。

（3）如果管道内气体温度太高（100℃以上），或在大口径管道中气体压力极低（低于0.1MPa），流速也极低（小于0.5mm/s）情况下，超声波流量计不适用。

（4）多气源混合产生的差值，可使用在线式色谱分析仪，对天然气组分含量进行监测，并实时上传数值，修正误差提高检测精度。

 

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