大慶油田天然氣分公司

新型超聲波流量計(jì)

徐日升大慶油田天然氣分公司

超聲波流量計(jì)近年來在天然氣計(jì)量領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，它由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。新型超聲波流量計(jì)內(nèi)部裝有新型流量調(diào)節(jié)裝置或整流器，一方面能消除流體漩渦對(duì)測(cè)量的影響，另一方面使流體充分地與管線對(duì)稱軸形成完整對(duì)流。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)該超聲波流量計(jì)發(fā)出頻率為40 kHz的超聲波時(shí)，儀表的準(zhǔn)確度最高，可達(dá)到0.25級(jí)，而一般的超聲波流量計(jì)都達(dá)不到0.25級(jí)的準(zhǔn)確度。

流量計(jì)；超聲波；傳播時(shí)間

目前市場(chǎng)上所用的流量計(jì)按使用時(shí)是否在流體上附加能量而主要分為兩大類。一類是流量計(jì)在流體上附加能量，如電磁能、聲能，代表有電磁流量計(jì)，超聲波流量計(jì)；另一類是流量計(jì)在流體上不附加任何能量，只通過流體自身能量的變化而計(jì)量流量，如渦輪流量計(jì)、孔板流量計(jì)。研究表明，第一類流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度高，更適合計(jì)量發(fā)展的要求。

超聲波流量計(jì)近年來在天然氣計(jì)量領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，它由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。其通過檢測(cè)流體流動(dòng)時(shí)對(duì)超聲脈速的作用以測(cè)量流體的流量，采用高斯積分的方法來消除流量計(jì)在管道上安裝帶來的系統(tǒng)誤差。

根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，目前超聲波流量計(jì)檢測(cè)方法大致可分傳播速度差法（包括直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法、頻差法）、波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及躁聲法等。其中噪聲波流量計(jì)原理及結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，便于測(cè)量和攜帶，價(jià)格便宜，但準(zhǔn)確度較低，適于在流量測(cè)量準(zhǔn)確度要求不高的場(chǎng)合使用。由于直接時(shí)差法、時(shí)差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過測(cè)量超聲脈沖順流和逆流傳報(bào)時(shí)速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中步差法和時(shí)差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被廣泛采用。

波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來反映流體流速的，低流速時(shí)靈敏度很低，適用性不大。

多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過測(cè)量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體的流量測(cè)量。

相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測(cè)量流量，此法的測(cè)量準(zhǔn)確度與流體中的聲速無關(guān)，因而測(cè)量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院近幾年致力于研究準(zhǔn)確度更高的超聲波流量計(jì)。目前研制的這種新型超聲波流量計(jì)采用11聲道。在實(shí)驗(yàn)中，通過計(jì)算機(jī)模擬流體在管道中的流動(dòng)和超聲波信號(hào)在流體內(nèi)傳播的情況，以此精確確定超聲波在流體內(nèi)部傳播的時(shí)間。通過分析信號(hào)衰減而獲取相應(yīng)的修正系數(shù)，并在計(jì)算機(jī)中建立流體不同流動(dòng)情況下的數(shù)據(jù)庫(kù)并加以分析從而提高了傳播時(shí)間的準(zhǔn)確性；再通過修正后的高斯積分公式及加速計(jì)算法計(jì)算出流體的瞬時(shí)體積流量，大大提高了超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確性。

新型超聲波流量計(jì)內(nèi)部裝有新型流量調(diào)節(jié)裝置或整流器，一方面能消除流體漩渦對(duì)測(cè)量的影響，另一方面使流體充分地與管線對(duì)稱軸形成完整對(duì)流，從而使超聲波能完整地在流體內(nèi)傳播，保證了8聲道內(nèi)的超聲波傳播時(shí)間測(cè)量的高再現(xiàn)性，從而提高計(jì)量精度。

實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)該超聲波流量計(jì)發(fā)出頻率為40 kHz的超聲波時(shí)，儀表的準(zhǔn)確度最高，可達(dá)到0.25級(jí),而一般的超聲波流量計(jì)都達(dá)不到0.25級(jí)的準(zhǔn)確度。

該流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①抗干擾能力好，能在復(fù)雜和惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作；②量程寬，管徑范圍為50～1 500mm，可測(cè)流速范圍可達(dá)±30m/s；③測(cè)量精確度較高，可達(dá)0.25%；④適用范圍廣，可適用于不同溫度和壓力的多種氣體流量的測(cè)定。

隨著油田計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高及節(jié)能降耗工作的開展，這種最新型的超聲波流量計(jì)在油田有著廣闊的應(yīng)用前景。

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.055