本文闡述了超聲波流量計的原理及特點, 并介紹了超聲波流量計的應(yīng)用及應(yīng)用進展。超聲波流量計與羅茨流量計進行性能對比，介紹了單聲道、多聲道超聲波流量計的不同特點。探討了超聲波流量計計量精度的主要影響因素(氣體組成、流場、臟污)及應(yīng)對措施。

1.引言

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速地得到應(yīng)用。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。數(shù)據(jù)采集就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算機能識別得數(shù)字信號，然后再做進一步處理。

20世紀70年代，超聲波流量計的使用范圍還僅局限于測量液體。隨著電子技術(shù)和數(shù)據(jù)處理能力的飛速發(fā)展，可以實現(xiàn)各種補償和運算，可自動修正流場分布變化造成的誤差。超聲波流量計以其非接觸式、測量范圍大、無運動部件、精度高等無可比擬的獨到優(yōu)勢，逐漸成為流量檢測領(lǐng)域的一個新亮點。

對于氣體測量，20世紀70年代主要以孔板流量計為主，20世紀80年代出現(xiàn)了渦輪流量計代替孔板流量計的熱潮，20世紀90年代羅茨流量計以小流量優(yōu)勢引進到我國被廣泛使用。l998年，ISO發(fā)布了《用時間傳播法超聲流量計測量封閉管道內(nèi)的流體流量》，2001年我國制訂了GB/T 18604—2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》，該標準適用于傳播時間差法氣體超聲波流量計，管道的公稱直徑等于或大于l00mm，壓力不低于0.1MPa。這些標準對促進氣體超聲波流量計的發(fā)展起到了很大作用。

目前，超聲波流量計在我國西氣東輸長輸管道及一些大型門站等高壓天然氣計量系統(tǒng)中已得到廣泛使用。雖然在小口徑(公稱直徑小于l00mm)管道計量領(lǐng)域尚未有相應(yīng)的標準，但隨著在全國各地工業(yè)用戶和區(qū)域計量方面的普及和應(yīng)用，超聲波流量計在天然氣終端用戶的貿(mào)易計量方面將發(fā)揮越來越大的作用。

2.超聲波流量計原理

超聲波流量計是通過超聲波在流動流體中的傳播，承載流體流速信息，將信號進行處理，轉(zhuǎn)換成流量信息。超聲波流量計與傳統(tǒng)的流量計相比，具有體積小、測量范圍大、安裝簡便、免維護、零壓損及始動流量低等優(yōu)點，是一種理想的流量計。

2.1 工作原理

根據(jù)測量原理的不同，氣體超聲波流量計可分為傳播時間差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法4種。其中多普勒法是依據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng)，其檢測量為漂移頻率。使用多普勒法的限制條件比較苛刻，只適合于測量含有一定異相的液體。目前普遍采用傳播時間差法進行流量測量。

傳播時間差法是利用聲波在氣體中沿順流傳播的時間和沿逆流傳播的時間差來進行流速測量。傳播時間差法的關(guān)鍵在于能準確測定超聲波在兩個換能器之間的傳播時間。

超聲波在氣體中沿順流、逆流傳播的時間計算公式分別為：

從式(3)可以看出，氣體的流速與聲速無關(guān)，只與超聲波的聲程長度、流體流動方向與超聲波傳播方向的夾角和超聲波在氣體中傳播的時間有關(guān)。超聲波流量計有很高的計量精度。

2.2單聲道、多聲道超聲波流量計

超聲波流量計分為單聲道超聲波流量計和多聲道超聲波流量計。單聲道超聲波流量計是在被測管道上安裝一對換能器構(gòu)成一個超聲波通道。其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但對流態(tài)分布變化適應(yīng)性差，測量精度不易控制，一般用于中小口徑管道和對測量精度要求不高的管道。多聲道超聲波流量計是在被測管道上安裝多對超聲波換能器構(gòu)成多個超聲波通道，綜合各聲道測量結(jié)果求出流量。與單聲道超聲波流量計相比，多聲道超聲波流量計對流態(tài)分布變化適應(yīng)能力強，測量精度高，可用于大口徑管道和流態(tài)分布復(fù)雜的管道。

鑒于超聲波流量計價格比較高，以往在選擇流量計時，一般原則是管徑大于等于100mm時，選擇超聲波流量計；管徑小于100mm時，選擇羅茨流量汁。一般的超聲波流量計，加裝整流器后，前后直管段要求是前3D后2D。日本愛知時計電機株式會社和山東思達特公司聯(lián)合開發(fā)的基于傳播時間差法測量原理的AS系列超聲波流量計，采用單聲道測量技術(shù)，加裝整流器后，前后直管段要求是前0D后3D。其適用范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，擁有較高性價比。

2.3  超聲波流量計的優(yōu)點

超聲波流量計測量范圍大、維護工作量小的特點，適合于酒店、賓館以及用氣量波動大的工業(yè)用戶，可以避免漏計，能夠使燃氣公司減少輸差損失。

AS系列超聲波流量計1:400的超大量程比，如果用作居民小區(qū)總表，配合目前成熟的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)遠傳技術(shù)，可以實現(xiàn)整個城市輸差的實時動態(tài)顯示，可以實時了解整個城實現(xiàn)整個城市輸差的實時動態(tài)顯示，可以實時了解整個城管理、計量輸差查找、管道泄漏安全等方面，可以提供實時的數(shù)據(jù)支撐，解決了城市管網(wǎng)實時動態(tài)輸差管理、管道破裂預(yù)知等難題。

3.超聲波流量計應(yīng)用工程

3.1 超聲波流量計標定

超聲波測量是一種通過測定物位來測量容器儲量的方法。超聲波傳感器自上向物料表面發(fā)送超聲波脈沖，接收從表示反射回來的回波。它測定超聲波的傳播時間，并推算出與反射表面的距離。傳播時間是超聲波傳感器與物位之間距離的直觀量綱。聲波的傳播距離是傳播時間和聲速的乘積。如果已知超聲波傳感器的位置，那么就能換算出物位以及儲量?？諝庵械穆曀僮兓秶艽?，因此，聲波傳感器需要進行溫度補償，如果用于空氣以外的其他氣體，就應(yīng)該進行相應(yīng)的標定。

3.2 超聲波流量計精度

氣體超聲波流量計需要面對氣體輸送過程中的各種干擾，比如壓力調(diào)節(jié)裝置帶來的氣體噪聲、介質(zhì)中的粉塵雜質(zhì)、管道流場變化等。通過對超聲波換能器的合理布置及加裝整流器等措施，可以有效避免或減弱上述影響，保證測量精度。

(1)氣體組分：聲波在不同氣體中的傳播速度不同，基于傳播時間差法測量原理的超聲波流量計避開了聲速的影響，從而避免了因氣體組成不同造成的計量誤差。AS系列超聲波流量計能提供聲波在氣體中的聲速，可實現(xiàn)在線實時工解超聲波流量計的計量精度。

(2)流場狀況：超聲波流量計對流場狀況比較敏感，在良好的流場環(huán)境中，單聲道流量計可以達到0.5％的計量精度。當管道中產(chǎn)生渦流時，測得的平均流速與實際流速存在一定誤差。

(3)安裝工程：流量計在安裝使用過程中，需要保證流量計與管道的同心度，以及保證相應(yīng)的前后直管段長度(廠家要求至少保證前10D后5D)，這也是超聲波流量計相對于渦輪、羅茨流量計的一個缺點。通過在管段內(nèi)合理布置聲道位置，可以提高流量計對環(huán)向流和橫向流的適應(yīng)能力，通過長期的仿真計算和數(shù)據(jù)分析，證實可以通過在管道中加裝 整流器的方式來縮短前后直管段長度。整流器的作用是盡量減少或者消除復(fù)雜流動的不利影響，提高計量精度。

(4)環(huán)境抵抗：當測量介質(zhì)中含有粉塵、油霧等臟污并附著在管壁或換能器上時，超聲信號是否會受干擾導(dǎo)致計量精度下降，也是衡量超聲波流量計性能的指標之一。

超聲波具有穿透性，細微的灰塵以及水珠對其沒有任何影響。AS系列超聲波流量計在超聲波換能器設(shè)計方面具有獨特的一面：首先是半球面式的換能器避免大型顆粒及污物存留，其次是背流向的換能器上設(shè)計了一個旋渦發(fā)生裝置，可以避免污物存留。

同時針對臟污影響進行了大量的性能測試，包括耐潮性測試、耐灰塵性測試、灰塵與水珠同時存在時的測試及耐油污性測試。耐潮性測試、耐灰塵性測試、灰塵與水珠同時存在時的測試及耐油污性測試是分別在超聲波流量計內(nèi)壁噴射一層水珠、灰塵、灰塵與水珠或涂抹一層礦物質(zhì)油進行測試。結(jié)果顯示：只要超聲波流量計能接收到聲波的穿透信號，計量精度均不會發(fā)生改變。而對于渦輪、羅茨流量計，雖然在表前安裝了過濾器，但細微灰塵還是會存留于葉輪與腰輪之上，計量精度均有所下降，下降1.5％～3.5％。

4.結(jié)束語

燃氣戶用超聲波表核心技術(shù)仍掌握在日本、歐美等。超聲波技術(shù)在燃氣計量方面的成熟性毋庸置疑，但是，我們也應(yīng)該看到國內(nèi)相關(guān)的標準有待完善。燃氣戶用超聲波表的標準正在起草中，超聲波流量計的相關(guān)標準，如GB/T 18603-2001《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》、GB/T 18604-2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》關(guān)于多聲道超聲波流量計內(nèi)容比較詳盡，而對單聲道超聲波流量計僅規(guī)定“單聲道超聲波流量計的測量性能可比多聲道超聲波流量計的測量性能要求低，具體指標由制造廠提供”。因此現(xiàn)階段在選用單聲道超聲波流量計時，建議采用廠家或廠家企業(yè)標準比較健全的品牌產(chǎn)品，以彌補目前相關(guān)標準不完善的缺憾。對于檢定方式，各地計量院主要以JJG l98-1994《速度式流量計》為依據(jù)JJG 1030-2007《超聲流量計》中的聲速對比法檢定仍未被普及使用。