方詠梅王華杰

吐哈油田 技術(shù)監(jiān)測(cè)中心 （新疆 鄯善 838202）

便攜式超聲波流量計(jì)在油田的應(yīng)用分析

方詠梅1王華杰2

吐哈油田 技術(shù)監(jiān)測(cè)中心 （新疆 鄯善 838202）

便攜式超聲波流量計(jì)具有安裝快捷、使用靈活的特點(diǎn)，但在使用時(shí)必須掌握準(zhǔn)確方法。通過(guò)多年對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)使用便攜式超聲波流量計(jì)易忽視的問(wèn)題，分析產(chǎn)生該問(wèn)題的原因并提出了解決問(wèn)題的辦法。

便攜式超聲波流量計(jì) 測(cè)量誤差 換能器

由于超聲波流量計(jì)的流量測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測(cè)量?jī)x表，故可解決其它類(lèi)型儀表所難以測(cè)量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問(wèn)題。另外，鑒于非接觸測(cè)量特點(diǎn)，再配以合理的電子線(xiàn)路，一臺(tái)超聲波流量計(jì)可適應(yīng)多種管徑測(cè)量和多種流量范圍測(cè)量，因此，其適應(yīng)能力是其它儀表不可比擬的[1]。

使用便攜式超聲波流量計(jì)時(shí)容易忽視的問(wèn)題

目前在油田的許多單位都使用便攜式超聲波流量計(jì)，其用途就是作為“標(biāo)準(zhǔn)表”進(jìn)行核查使用，即用來(lái)比對(duì)和測(cè)試在線(xiàn)流量計(jì)的準(zhǔn)確性，或單井配量注水時(shí)使用。但在實(shí)際使用中，不少用戶(hù)由于對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)的使用要點(diǎn)掌握不好，測(cè)量效果不夠理想，因而對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)產(chǎn)生質(zhì)疑。怎樣才能準(zhǔn)確使用便攜式超聲波流量計(jì)，使之能更好的服務(wù)于油田計(jì)量是計(jì)量工作人員需研究探討的課題。通過(guò)多年對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)檢定結(jié)論進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：便攜式超聲波流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)與其它速度式流量計(jì)基本相同，而且當(dāng)流速足夠大時(shí)其線(xiàn)性還優(yōu)于其它流量計(jì)。那么為什么在實(shí)際使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題呢？通過(guò)對(duì)FLD120系列便攜式超聲波流量計(jì)在探頭安裝、誤差及管道材質(zhì)等方面進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)用戶(hù)在使用便攜式超聲波流量計(jì)時(shí)容易忽視以下幾個(gè)重要問(wèn)題。

1 輸入管道參數(shù)不準(zhǔn)確造成的誤差

便攜式超聲波流量計(jì)探頭在管道外部安裝，它直接測(cè)量的是管道內(nèi)流體的流速，流量是流速與管道流通面積的乘積，而其管道面積和換能器安裝的距離都是使用者根據(jù)不同測(cè)量點(diǎn)的參數(shù)人工輸入流量計(jì)后計(jì)算出來(lái)的，這些參數(shù)的準(zhǔn)確與否直接影響到測(cè)量結(jié)果。也就是說(shuō)：如果輸入了一組不準(zhǔn)確的管道參數(shù)，會(huì)直接造成測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)如下。

（1）輸入管徑誤差與測(cè)量結(jié)果的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)時(shí)用一臺(tái)型號(hào)為FLD120 Y1-A的便攜式超聲波流量計(jì)，先安裝在管道的標(biāo)準(zhǔn)位置通過(guò)檢定合格后，在管道固定不變的情況下依次輸入不同誤差的管徑再與標(biāo)準(zhǔn)表相比較。依照上述操作依次安裝在四種不同的管徑后其結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)表相比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

從實(shí)驗(yàn)中可以得出：測(cè)量結(jié)果誤差大約是輸入的管徑設(shè)置誤差的2倍，這與誤差傳遞理論一致：

以上：Q為流體流量，

D為管徑，

σQ為流量誤差，

σD為管徑誤差。

管道內(nèi)徑輸入不準(zhǔn)確所引起的誤差對(duì)在小管徑上使用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)更是不容忽視。例如：內(nèi)徑測(cè)量的絕對(duì)誤差同樣是1mm，對(duì)DN1000管線(xiàn)來(lái)說(shuō)其內(nèi)徑相對(duì)誤差為0.1%，而對(duì)DN100管線(xiàn)來(lái)說(shuō)其內(nèi)徑相對(duì)誤差為1.0%。而流量是與內(nèi)徑的平方成正比的，同樣是1mm的內(nèi)徑測(cè)量誤差對(duì) DN1000管線(xiàn)所帶來(lái)的流量測(cè)量誤差僅有0.3%左右，而對(duì)于DN100管線(xiàn)所帶來(lái)的流量測(cè)量誤差卻有3%左右，可見(jiàn)便攜式超聲波流量計(jì)使用管線(xiàn)口徑越大測(cè)量越準(zhǔn)確，管線(xiàn)口徑越小，測(cè)量越難把握。所以便攜式超聲波流量計(jì)適用于大口徑管線(xiàn)上的測(cè)量。

表1 輸入口徑誤差引入的測(cè)量誤差（%）

（2）管壁厚度誤差與測(cè)量誤差的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)時(shí)用一臺(tái)型號(hào)為FLD120Y1-A的便攜式超聲波流量計(jì)，先安裝在管道的標(biāo)準(zhǔn)位置通過(guò)檢定合格后，首先在安裝位置固定不變的情況下改變輸入壁厚參數(shù)得出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)表相比較。然后按照上述操作依次在四種不同口徑的管線(xiàn)上測(cè)得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)表相比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，管壁厚度輸入越大其測(cè)得誤差越大。所以，管壁參數(shù)輸入對(duì)測(cè)量結(jié)果有直接影響。

因此，管道參數(shù)的獲取最好是用實(shí)際測(cè)量的方法，一般用厚度測(cè)量?jī)x進(jìn)行確認(rèn)。因?yàn)閷?shí)際的施工情況往往和設(shè)計(jì)的參數(shù)有出入，使用一段時(shí)間的管壁厚度也會(huì)由于腐蝕等原因發(fā)生變化。

（3）管道材質(zhì)及內(nèi)襯對(duì)測(cè)量的影響

被測(cè)管道材質(zhì)及內(nèi)襯輸入有誤時(shí)，也會(huì)造成換能器安裝距離的計(jì)算錯(cuò)誤，使超聲波的入射角產(chǎn)生誤差，測(cè)量精度降低嚴(yán)重時(shí)將不能測(cè)量。實(shí)驗(yàn)證明，管道內(nèi)襯對(duì)測(cè)量的影響主要是它造成了實(shí)際管徑的變化。安裝了內(nèi)襯的管道使過(guò)水截面積減少，通過(guò)流速換算的流量相應(yīng)偏小，測(cè)量誤差與管道截面積變化成正比。如內(nèi)襯過(guò)厚而設(shè)置時(shí)被忽略或與管壁有間隙時(shí)則一般發(fā)生探測(cè)或信號(hào)錯(cuò)誤，因此測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際準(zhǔn)確輸入內(nèi)襯材質(zhì)及厚度。實(shí)際應(yīng)用中，遇到管內(nèi)壁結(jié)垢相對(duì)均勻、信號(hào)基本正常時(shí)，可對(duì)內(nèi)襯做一定補(bǔ)償，以減少測(cè)量誤差。管道材質(zhì)及內(nèi)襯對(duì)測(cè)量的影響反映在聲波在各種介質(zhì)中傳播速度的差異上，若材質(zhì)的設(shè)置聲速大于實(shí)際的聲速，則測(cè)量結(jié)果偏大，反之則偏小。

2 流量計(jì)安裝及使用條件的要求

表2 輸入壁厚誤差引入的測(cè)量誤差 單位（mm）

（1）安裝在直管段不同位置與標(biāo)準(zhǔn)表比較的相對(duì)誤差

便攜式超聲波流量計(jì)換能器安裝一般要求流量計(jì)上、下游分別有10倍和5倍以上管徑的直管段，以確保被測(cè)介質(zhì)的流態(tài)滿(mǎn)足儀表精度要求。實(shí)際使用時(shí)經(jīng)常不能找到滿(mǎn)足要求的安裝位置，使得流場(chǎng)不穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)時(shí)用兩臺(tái)型號(hào)為FLD120Y1-A的便攜式超聲波流量計(jì)，先后安裝在標(biāo)準(zhǔn)位置檢定合格后，再把兩臺(tái)流量計(jì)先后安裝在非標(biāo)準(zhǔn)位置，其測(cè)得數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表作比對(duì)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

結(jié)果表明：下游直管段安裝距離比上游直管段影響小，上游有3倍以上管徑的直管段時(shí)可基本滿(mǎn)足要求。當(dāng)上游直管段不夠（紊流嚴(yán)重），如在彎頭、閥門(mén)、泵、閥之后裝表時(shí)，一般表現(xiàn)為正誤差。不少用戶(hù)受儀表測(cè)量空間的限制，在不能滿(mǎn)足安裝要求的位置測(cè)量，由此造成了測(cè)量誤差的加大，因此在安裝距離較小的地方應(yīng)首先確保上游的安裝距離。

表3 安裝位置不同引入的測(cè)量誤差（%）(編號(hào):Q6L5168T)

表4 安裝位置不同引入的測(cè)量誤差（%）（編號(hào):Q3A2254T）

（2）鋼管V法安裝換能器間距偏差與測(cè)量誤差的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)時(shí)用一臺(tái)型號(hào)為 FLD120Y1-A編號(hào)為Q3A2254T的便攜式超聲波流量計(jì)，安裝在管道的標(biāo)準(zhǔn)位置通過(guò)檢定合格后，移動(dòng)換能器間距與標(biāo)準(zhǔn)表作比對(duì)。按照上述操作依次安裝在不同口徑管道的位置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

實(shí)驗(yàn)表明：換能器間距的定位錯(cuò)誤造成的誤差，直接影響測(cè)量結(jié)果，嚴(yán)重時(shí)信號(hào)太弱或找不到信號(hào)。換能器徑向錯(cuò)位一般對(duì)測(cè)量結(jié)果影響甚微，但會(huì)關(guān)系信號(hào)強(qiáng)弱。安裝時(shí)要求聲束穿過(guò)管道中心，否則會(huì)由于聲波發(fā)射與接收角度不符使信號(hào)嚴(yán)重衰減，直至不能測(cè)量。

便攜式超聲波流量計(jì)的影響及檢定

1 安裝環(huán)境、耦合劑、信號(hào)電纜對(duì)測(cè)量的影響

便攜式超聲波流量計(jì)大都采用多脈沖、寬頻帶信號(hào)，具有一定抗電磁干擾能力，但在安裝現(xiàn)場(chǎng)存在高頻，特別是變頻干擾源時(shí)不能完全正常工作。換能器信號(hào)電纜不易過(guò)長(zhǎng)，且應(yīng)使用特定阻抗的同軸電纜，專(zhuān)用端頭，中間不能有接頭。超聲耦合劑盡量使用導(dǎo)聲性能好、不易混入氣體的粘性物質(zhì)，如水玻璃、凡士林等。

2 沒(méi)有正確對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢定

表5 換能器間距偏差引入的測(cè)量誤差（%）

任何流量計(jì)使用前都需要進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，便攜式超聲波流量計(jì)在這一點(diǎn)尤為重要。因?yàn)楸銛y式超聲波流量計(jì)一般配置多組換能器，分別適用于不同的管徑范圍，每組換能器與主機(jī)的搭配按理論都是一套獨(dú)立的流量計(jì)。因此，如果只在小管徑的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上用小換能器對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，那么在使用時(shí)如果用大換能器測(cè)量流量，就等于是使用未經(jīng)檢定或校準(zhǔn)的流量計(jì)，其計(jì)量準(zhǔn)確性是無(wú)法保證的。正確的方法是以用戶(hù)自己的使用情況為參考依據(jù)，盡可能在與使用管道口徑相同或接近的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行多條管道的檢定或校準(zhǔn)。至少要保證流量計(jì)配置的每組換能器都要進(jìn)行檢定。流量計(jì)檢定或校準(zhǔn)證書(shū)上都會(huì)給出幾組換能器的儀表修正系數(shù)。在使用流量計(jì)時(shí)，要保證正確輸入對(duì)應(yīng)換能器的儀表修正系數(shù)。

便攜式超聲波流量計(jì)的缺點(diǎn)和局限性

（1）傳播時(shí)間法的便攜式超聲波流量計(jì)只能用于清潔液體和氣體。

（2）外夾裝換能器的超聲波流量計(jì)不能用于襯里或結(jié)垢太厚的管道，不能用于局部有凹陷或凸出物的管道，以及不能用于管壁銹蝕嚴(yán)重的管道。

（3）目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)有超聲波流量計(jì)不能用于管徑小于DN25mm的管道。

（4）國(guó)內(nèi)對(duì)超聲波流量計(jì)的研究制造還在初級(jí)階段，其價(jià)格也相對(duì)較高。

流量計(jì)量是企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的參數(shù)，特別是在油田節(jié)能節(jié)水等環(huán)保方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。便攜式超聲波流量計(jì)是一種新型的流量?jī)x表，它的方便性和經(jīng)濟(jì)性是其它流量計(jì)無(wú)法比擬的。但該類(lèi)儀表所產(chǎn)生的很多隨機(jī)誤差還要繼續(xù)研究與探討。如現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、電源頻率的變化、管內(nèi)壁結(jié)垢、管內(nèi)夾帶氣泡等都會(huì)使測(cè)量誤差值發(fā)生一定的變化。所以繼續(xù)從實(shí)踐中總結(jié)準(zhǔn)確的測(cè)量方法是用好便攜式超聲波流量計(jì)發(fā)揮其有效作用的長(zhǎng)期性任務(wù)。

[1]蘇彥勛主編.流量計(jì)量[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社.1991.

The portable ultrasonic flow meter is installed rapidly,can be used flexibly.But it is necessary to master the accurate method in use.Based on the summary of field operation experiences in many years,some problems easy to be neglected in the use of meters have been found out.Then the causes of these problems have been analyzed,followed by the proposal of concrete solutions to these problems.

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方詠梅(1972-),女，助理工程師，主要從事流量?jī)x表檢定工作。

2009-12-07