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)量原理通過測(cè)量流體的流速來換算成流體的質(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。