摘要超聲波流量計(jì)是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中測(cè)量流量的重要工具之一。超聲波流量計(jì)在大管徑天然氣計(jì)量中具有突出的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理和影響超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的因素分析，詳細(xì)闡述了解決測(cè)量精度的具體方法，提供了儀表選型、安裝的指導(dǎo)性建議。
    流量是天然氣生產(chǎn)集輸中重要的參數(shù)之一。流量測(cè)量值的準(zhǔn)確與否，將直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和交接計(jì)量中雙方的經(jīng)濟(jì)利益。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的基于各種原理測(cè)量流量的流量計(jì)種類很多，如容積式流量計(jì)、渦街流量計(jì)、差壓流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。其中，超聲波流量計(jì)是隨著is(集成電路)技術(shù)迅速發(fā)展才開始得到實(shí)際應(yīng)用的一種非接觸式儀表。與其他類型的流量計(jì)相比，超聲波流量計(jì)具有無(wú)壓力損失、性能價(jià)格比高、測(cè)量范圍寬(一般可達(dá)到20:1)等特點(diǎn)。傳播速度差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量范圍可達(dá)到300:1。因此，在大管徑天然氣的計(jì)量中使用超聲波流量計(jì)更具有突出的優(yōu)勢(shì)。尤其在城市輸氣中，白天用氣高峰和夜間用氣低谷氣流量差別懸殊，超聲波流量計(jì)測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)很好的適應(yīng)了這一點(diǎn)。
1、超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理：
    超聲波流量計(jì)由超聲波轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，以一定的方式發(fā)射并穿過(guò)被測(cè)流體，接收器接收到超聲波信號(hào)，供顯示積算儀顯示和積算，實(shí)現(xiàn)流量的檢測(cè)顯示。
    超聲波流量計(jì)按測(cè)量原理，可以具有多種不同的形式。包括傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法、相關(guān)法和流速一液面法。這些方法用于流量測(cè)量各有利弊，可以根據(jù)被測(cè)流體、精度要求等的不同進(jìn)行選擇。從精度上看，傳播速度差法較好。其測(cè)量精度優(yōu)于±1. 0,有的多聲道超聲波流量計(jì)精度已高達(dá)±0. 5。滿足氣體交接計(jì)量的要求。目前大管徑天然氣計(jì)量中使用的超聲波流量計(jì)多數(shù)采用此種測(cè)量原理的流量計(jì)。
    超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理通過(guò)測(cè)量流體的流速來(lái)?yè)Q算成流體的質(zhì)量流量qm，其關(guān)系為:qm=puA
式中:qm一質(zhì)量流量，kg/s;      P一密度，kg/m3 ;      u—流速流體的流速，m/s;      A量截面，mzm。
    式(1)中，密度P取決于流體的介質(zhì)及工況，流量截面主要取決于管道的狀況及工況，一般均能準(zhǔn)確測(cè)得。所以測(cè)量流體的流速u，便是超聲波流量計(jì)的主要目的。
    傳播速度差法測(cè)流速就是根據(jù)聲波在流動(dòng)的流體中，順流傳播的時(shí)間與逆流傳播的時(shí)間之差與被測(cè)流體的流速有關(guān)，求出流速的方法。當(dāng)聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向一致時(shí)，其傳播速度為(c+u)，當(dāng)聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向相反時(shí)，其傳播速度為(c一u)。其原理可表述為:

  式中:t1一聲波在流動(dòng)的流體中順流傳播的時(shí)間，s;      t2一聲波在流動(dòng)的流體中順流傳播的時(shí)            間，S;      L一一對(duì)超聲波發(fā)生器與接收器的距離，mo    因此順逆流情況下聲波傳播時(shí)間差△t = t2一t1 ,則公式(4)可表示為:

  由此可知，流速與△t/[tl(4t+tl)]成正比，比例系數(shù)l/2為常數(shù)，不受溫度變化的影響，只需將順流傳播時(shí)間t!及4t代入，進(jìn)行運(yùn)算即可求得流速。
2、影響超聲波流量測(cè)量準(zhǔn)確性的因素：
    影響超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確性的因素很多，其主要因素有2個(gè)方面:一是儀表本身性能的影響;二是安裝質(zhì)量的影響。
    (1)流量計(jì)的選型：
    傳播速度差法的測(cè)量原理是測(cè)量超聲波傳播途徑上的平均流速，這一平均流速是否能正確反映流通截面上的流速對(duì)于測(cè)量的準(zhǔn)確性是有影響的。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)選用雙聲道或多聲道流量計(jì)以改善單聲道測(cè)量平均流速的不確定性。在實(shí)際使用中單聲道流量計(jì)精度為±2.0，可以滿足過(guò)程控制的要求。多聲道的流量計(jì)精度為±1.0，可以滿足貿(mào)易交接計(jì)量的要求。
    超聲波流量計(jì)的測(cè)量體有兩種形式:外夾裝式和自帶測(cè)量管式。外夾裝式超聲波流量計(jì)使用方便靈活，特別適用于改造工程。然而現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際精度，常因工作疏忽，安裝距離和流通面積測(cè)量等誤差而造成精度下降。使用帶測(cè)量管的超聲波流量計(jì)降低了迎流流速分布的影響，減少了前后置直管長(zhǎng)度的影響，消除了現(xiàn)場(chǎng)安裝轉(zhuǎn)換器位置的影響。在現(xiàn)場(chǎng)工藝條件允許的情況下使用自帶測(cè)量管的測(cè)量方式。
    (2)安裝質(zhì)量的影響：
    安裝地點(diǎn)的選擇必須保證轉(zhuǎn)換器前的流體是沿管軸平行流動(dòng)，所以應(yīng)保證轉(zhuǎn)換器前有一定長(zhǎng)度的直管段，所需直管段長(zhǎng)度與流道上阻力件形式有關(guān)  (見(jiàn)表1)。流量計(jì)兩側(cè)的工藝管道內(nèi)壁要光滑，不應(yīng)有堆焊;帶測(cè)量管的超聲波流量計(jì)安裝時(shí)密封墊圈的內(nèi)徑應(yīng)比流量計(jì)的內(nèi)徑大4~5 mm，以防在法蘭緊固后伸入管道內(nèi)，造成有效流通面積減小，影響測(cè)量精度。夾裝式超聲波流量計(jì)可以安裝管道支撐架以減小管道振動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。流量計(jì)的接地線要可靠接地。電纜屏蔽層也要可靠接地，以防止外界的各類電磁干擾。
    (3)超聲波流量計(jì)的調(diào)整和校驗(yàn)    準(zhǔn)確的調(diào)整和校驗(yàn)對(duì)流量計(jì)的正常工作非常重要。包括對(duì)流量顯示的二次儀表的電子線路進(jìn)行調(diào)校;對(duì)轉(zhuǎn)換器的安裝進(jìn)行調(diào)校使得發(fā)射轉(zhuǎn)換器的聲波信號(hào)經(jīng)流體中的傳播以后能正常地被接收轉(zhuǎn)換器所接收。對(duì)于帶測(cè)量管的超聲波流量計(jì)，由于發(fā)射轉(zhuǎn)換器和接收轉(zhuǎn)換器的相對(duì)位置固定，因此其調(diào)校均相對(duì)較為簡(jiǎn)便，主要針對(duì)二次儀表的電子線路進(jìn)行調(diào)校。

表1流量計(jì)前后直管段長(zhǎng)度要求
    隨著天然氣在我國(guó)能源體系中地位的日趨重要和以西氣東輸為代表的輸氣管道的增加，超聲波流量計(jì)以其非接觸式測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，必將獲得更加廣泛的應(yīng)用。