本文闡述了超聲波流量計(jì)的原理及特點(diǎn), 并介紹了超聲波流量計(jì)的應(yīng)用及應(yīng)用進(jìn)展。超聲波流量計(jì)與羅茨流量計(jì)進(jìn)行性能對(duì)比，介紹了單聲道、多聲道超聲波流量計(jì)的不同特點(diǎn)。探討了超聲波流量計(jì)計(jì)量精度的主要影響因素(氣體組成、流場(chǎng)、臟污)及應(yīng)對(duì)措施。

1.引言

隨著計(jì)算機(jī)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(guò)程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)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(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別得數(shù)字信號(hào)，然后再做進(jìn)一步處理。

20世紀(jì)70年代，超聲波流量計(jì)的使用范圍還僅局限于測(cè)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(shí)現(xiàn)各種補(bǔ)償和運(yùn)算，可自動(dòng)修正流場(chǎng)分布變化造成的誤差。超聲波流量計(jì)以其非接觸式、測(cè)量范圍大、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、精度高等無(wú)可比擬的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，逐漸成為流量檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)新亮點(diǎn)。

對(duì)于氣體測(cè)量，20世紀(jì)70年代主要以孔板流量計(jì)為主，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了渦輪流量計(jì)代替孔板流量計(jì)的熱潮，20世紀(jì)90年代羅茨流量計(jì)以小流量?jī)?yōu)勢(shì)引進(jìn)到我國(guó)被廣泛使用。l998年，ISO發(fā)布了《用時(shí)間傳播法超聲流量計(jì)測(cè)量封閉管道內(nèi)的流體流量》，2001年我國(guó)制訂了GB/T 18604—2001《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》，該標(biāo)準(zhǔn)適用于傳播時(shí)間差法氣體超聲波流量計(jì)，管道的公稱直徑等于或大于l00mm，壓力不低于0.1MPa。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)促進(jìn)氣體超聲波流量計(jì)的發(fā)展起到了很大作用。

目前，超聲波流量計(jì)在我國(guó)西氣東輸長(zhǎng)輸管道及一些大型門(mén)站等高壓天然氣計(jì)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(jì)量領(lǐng)域尚未有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但隨著在全國(guó)各地工業(yè)用戶和區(qū)域計(jì)量方面的普及和應(yīng)用，超聲波流量計(jì)在天然氣終端用戶的貿(mào)易計(jì)量方面將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

2.超聲波流量計(jì)原理

超聲波流量計(jì)是通過(guò)超聲波在流動(dòng)流體中的傳播，承載流體流速信息，將信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成流量信息。超聲波流量計(jì)與傳統(tǒng)的流量計(jì)相比，具有體積小、測(cè)量范圍大、安裝簡(jiǎn)便、免維護(hù)、零壓損及始動(dòng)流量低等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的流量計(jì)。

2.1 工作原理

根據(jù)測(cè)量原理的不同，氣體超聲波流量計(jì)可分為傳播時(shí)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(cè)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(cè)量含有一定異相的液體。目前普遍采用傳播時(shí)間差法進(jìn)行流量測(cè)量。

傳播時(shí)間差法是利用聲波在氣體中沿順流傳播的時(shí)間和沿逆流傳播的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行流速測(cè)量。傳播時(shí)間差法的關(guān)鍵在于能準(zhǔn)確測(cè)定超聲波在兩個(gè)換能器之間的傳播時(shí)間。

超聲波在氣體中沿順流、逆流傳播的時(shí)間計(jì)算公式分別為：

從式(3)可以看出，氣體的流速與聲速無(wú)關(guān)，只與超聲波的聲程長(zhǎng)度、流體流動(dòng)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(shí)間有關(guān)。超聲波流量計(jì)有很高的計(jì)量精度。

2.2單聲道、多聲道超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)分為單聲道超聲波流量計(jì)和多聲道超聲波流量計(jì)。單聲道超聲波流量計(jì)是在被測(cè)管道上安裝一對(duì)換能器構(gòu)成一個(gè)超聲波通道。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)性差，測(cè)量精度不易控制，一般用于中小口徑管道和對(duì)測(cè)量精度要求不高的管道。多聲道超聲波流量計(jì)是在被測(cè)管道上安裝多對(duì)超聲波換能器構(gòu)成多個(gè)超聲波通道，綜合各聲道測(cè)量結(jié)果求出流量。與單聲道超聲波流量計(jì)相比，多聲道超聲波流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)能力強(qiáng)，測(cè)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(jì)價(jià)格比較高，以往在選擇流量計(jì)時(shí)，一般原則是管徑大于等于100mm時(shí)，選擇超聲波流量計(jì)；管徑小于100mm時(shí)，選擇羅茨流量汁。一般的超聲波流量計(jì)，加裝整流器后，前后直管段要求是前3D后2D。日本愛(ài)知時(shí)計(jì)電機(jī)株式會(huì)社和山東思達(dá)特公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基于傳播時(shí)間差法測(cè)量原理的AS系列超聲波流量計(jì)，采用單聲道測(cè)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(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，擁有較高性價(jià)比。

2.3  超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

超聲波流量計(jì)測(cè)量范圍大、維護(hù)工作量小的特點(diǎn)，適合于酒店、賓館以及用氣量波動(dòng)大的工業(yè)用戶，可以避免漏計(jì)，能夠使燃?xì)夤緶p少輸差損失。

AS系列超聲波流量計(jì)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(yuǎn)傳技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市輸差的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，可以實(shí)時(shí)了解整個(gè)城實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市輸差的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，可以實(shí)時(shí)了解整個(gè)城管理、計(jì)量輸差查找、管道泄漏安全等方面，可以提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支撐，解決了城市管網(wǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸差管理、管道破裂預(yù)知等難題。

3.超聲波流量計(jì)應(yīng)用工程

3.1 超聲波流量計(jì)標(biāo)定

超聲波測(cè)量是一種通過(guò)測(cè)定物位來(lái)測(cè)量容器儲(chǔ)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(lái)的回波。它測(cè)定超聲波的傳播時(shí)間，并推算出與反射表面的距離。傳播時(shí)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(shí)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(chǔ)量。空氣中的聲速變化范圍很大，因此，聲波傳感器需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，如果用于空氣以外的其他氣體，就應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定。

3.2 超聲波流量計(jì)精度

氣體超聲波流量計(jì)需要面對(duì)氣體輸送過(guò)程中的各種干擾，比如壓力調(diào)節(jié)裝置帶來(lái)的氣體噪聲、介質(zhì)中的粉塵雜質(zhì)、管道流場(chǎng)變化等。通過(guò)對(duì)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(cè)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(shí)間差法測(cè)量原理的超聲波流量計(jì)避開(kāi)了聲速的影響，從而避免了因氣體組成不同造成的計(jì)量誤差。AS系列超聲波流量計(jì)能提供聲波在氣體中的聲速，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)工解超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度。

(2)流場(chǎng)狀況：超聲波流量計(jì)對(duì)流場(chǎng)狀況比較敏感，在良好的流場(chǎng)環(huán)境中，單聲道流量計(jì)可以達(dá)到0.5％的計(jì)量精度。當(dāng)管道中產(chǎn)生渦流時(shí)，測(cè)得的平均流速與實(shí)際流速存在一定誤差。

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

(4)環(huán)境抵抗：當(dāng)測(cè)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(shí)，超聲信號(hào)是否會(huì)受干擾導(dǎo)致計(jì)量精度下降，也是衡量超聲波流量計(jì)性能的指標(biāo)之一。

超聲波具有穿透性，細(xì)微的灰塵以及水珠對(duì)其沒(méi)有任何影響。AS系列超聲波流量計(jì)在超聲波換能器設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)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(jì)了一個(gè)旋渦發(fā)生裝置，可以避免污物存留。

同時(shí)針對(duì)臟污影響進(jìn)行了大量的性能測(cè)試，包括耐潮性測(cè)試、耐灰塵性測(cè)試、灰塵與水珠同時(shí)存在時(shí)的測(cè)試及耐油污性測(cè)試。耐潮性測(cè)試、耐灰塵性測(cè)試、灰塵與水珠同時(shí)存在時(shí)的測(cè)試及耐油污性測(cè)試是分別在超聲波流量計(jì)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(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示：只要超聲波流量計(jì)能接收到聲波的穿透信號(hào)，計(jì)量精度均不會(huì)發(fā)生改變。而對(duì)于渦輪、羅茨流量計(jì)，雖然在表前安裝了過(guò)濾器，但細(xì)微灰塵還是會(huì)存留于葉輪與腰輪之上，計(jì)量精度均有所下降，下降1.5％～3.5％。

4.結(jié)束語(yǔ)

燃?xì)鈶粲贸暡ū砗诵募夹g(shù)仍掌握在日本、歐美等。超聲波技術(shù)在燃?xì)庥?jì)量方面的成熟性毋庸置疑，但是，我們也應(yīng)該看到國(guó)內(nèi)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有待完善。燃?xì)鈶粲贸暡ū淼臉?biāo)準(zhǔn)正在起草中，超聲波流量計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 18603-2001《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》、GB/T 18604-2001《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》關(guān)于多聲道超聲波流量計(jì)內(nèi)容比較詳盡，而對(duì)單聲道超聲波流量計(jì)僅規(guī)定“單聲道超聲波流量計(jì)的測(cè)量性能可比多聲道超聲波流量計(jì)的測(cè)量性能要求低，具體指標(biāo)由制造廠提供”。因此現(xiàn)階段在選用單聲道超聲波流量計(jì)時(shí)，建議采用廠家或廠家企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比較健全的品牌產(chǎn)品，以彌補(bǔ)目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善的缺憾。對(duì)于檢定方式，各地計(jì)量院主要以JJG l98-1994《速度式流量計(jì)》為依據(jù)JJG 1030-2007《超聲流量計(jì)》中的聲速對(duì)比法檢定仍未被普及使用。