气体超声波流量计是一种利用超声声学原理工作的新型流量测量仪表，与传统的流量计相比，气体超声波流量计具有运行稳定、易于安装、计量准确可靠、非接触测量、量程比宽、无压力损失、节约能源等特点，是一种比较理想的节能型流量计，在大管径流量测量方面也有优越性。
气体超声波流量计的测量原理、性能技术特点及软硬件构成进行了细致研究，并在此基础上进行了现场实验，主要有:噪音对外夹式气体超声波流量计影响测试;外夹式气体超声波流量计传感器藕合剂替代材料测试;壁厚值对传感器选型的影响测试;外夹式气体超声波流量计对气体流速和管道压力的要求测试;管道外壁粗糙程度对外夹式气体超声波流量计的影响;直管段长度对气体超声波流量计的影响测试;外夹式气体超声波流量计与管段式气体超声波流量计、高级孔板阀计量系统流量对比测试。根据现场试验及对各种数据的分析研究和后续调试工作。
超声波流量测量：
应用超声波原理测量流量始于1928年，而进人实用阶段约在20世纪70年代，但仍限于测量液体，用于测量气体流量约在90年代。由于气体超声波流量计具有许多传统流量计(孔板、涡轮、涡街……等)无法相比的**优点(见表1)，在天然气流量计量领域中，它犹如一颗耀眼的新星，备受国内外工程技术界的关注。
往年在巴西召开的
"FOLMEK02000*十届流量测量国际学术讨论会”上，重点讨论了超声波流量计，该方面的论文数占论文总数的29.4%，接近1/3
;而历届讨论较多的有关差压式的论文数仅占17.6%，不再成为热点。从发展趋势来看，由于超声波流量计具有精确度高、性能稳定可靠、量程比大、管道中无检测件等特点，在工程应用及国际贸易中，大有后来居上取代传统流量仪表的趋势。目前，美国、英国、荷兰、德国、加拿大、俄罗斯等10余个国家已批准它为天然气贸易输送系统的计量仪表。
据了解，我国也正对此进行技术推广，制定了标准。仅以我国四大世纪工程之一的西气东输工程为例，经多次流量计量论证，已将气体超声波流量计作为流量计量的可以选择仪表。据估算，该项目一期工程对检测控制仪表的投资将达到100亿元左右。流量计量是整个工程中重要的检测参数，初步估计，管道为DN150~DN1000的大中型天然气输配计量站约数百个，DN100以下的流量计量所需仪表将以万计，流量计量投资约10亿元左右。这个巨大的市场对于仪表生产厂商来说，真是千载难逢。
表1 流量计的性能比较
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项目
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孔板
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涡街
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涡轮
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超声波
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精确度(%)
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±1
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±1
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±1
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±0.5
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量程比
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3∶1
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30∶1
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20∶1300∶1
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管径范围(mm)
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50~800
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50~300
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10~500
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75~1600
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压损
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很大
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较小
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较小
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无
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对涡流的敏感
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很敏感
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很敏感
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较敏感
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不敏感
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对流速分布的敏感
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很敏感
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很敏感
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较敏感
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不敏感
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测脉动流
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不适合
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不适合
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不适合
|
适合
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测双向流
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不能
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不能
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不能
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可以
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测湿气体
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不能
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不能
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不能
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可以
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清洗管路
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不能
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不能
|
不能
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可以
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流速测量原理：
目前用超声波法来测气体流量，时差法几乎是一的选择。时差法是目前气体超声波流量计应用较多的测量原理方法。气体超声波流量计主要由超声波换能器组、信号处理电路和积算系统三个部分组成。超声波发射换能器发射超声波束穿过被测流体，超声波接收换能器把接收到的信号经过放大、滤波处理后转换为电信号，供积算系统积算，较终实现流量的检测。气体超声波流量计进行流量测量的基本目标是实现高精度，但由于工业现场接收信号弱、环境噪声强等不利因素，该目标往往难以实现。
其测量原理如图1所示，A、B是安装在管道上的两个换能器(Transducer)，既可发射又可接受超声波。
图1 时差式超声波流量计原理图
图1中，A牌上游，B牌下游，两者轴向距离为X，声道长度为L。从A向B发出的超声波顺流向到达B所需时间：
tab=L/(C+Vmcosθ)
式中：
C——声速
Vm——声道上的平均流速θ——换能器安装的倾角(声道角度) B接受信号后，向A返回的超声波信号为逆流向，所需
时间为：
tab=L/(C-Vmcosθ)
再考虑cos?=X/L，两式相减化简可得：
从式(1)可知，用时差法测流体的轴向速度与声速C无关，这就大大简化了测量电路。这个方法早为人们所知，但实际应用到测量气体流量当时还有困难。近几年来由于集成电路的飞速发展，可以精确测量较其微小的时间差(达10-9s~10-12s)，才使其得以进入实用阶段。目前对时差的处理电路有PLL(锁向环路)、TLL(时间锁定环路)及LEFM(波*时间差法)等。
4、流量测量原理：
流量应为管道横截面积A乘以流过管道横截面的流体流速V，它与上述声道L上的平均流速Vm并不相等，可用系数K予以修正，K=Vm/V。系数K取决于流体的雷诺数Re，在管道内充分发展的紊流条件下：
K=1.119-0.011×logRe (2)
当流速V变化10倍时，K值将变化1%，在进行精确测量时，必须用K对流量值进行动态修正。
当管道的直管段不够长时，管内的流速分布不能形成充分发展的紊流，这将降低许多流量仪表测量的精确度。而超声波流量计可采取多声道的办法(可采用8个换能器、4个声道以测量整个截面的流速，如图(2)已减少受到的影响，仍可保持高达±0.5%~±1%的精确度。
图2 四声道原理图
5、工程应用：
5.1、技术特点：
时差式气体超声波流量计现已成为当今气体流量(特别是高压、大口径)计量的可以选择仪表，它的特点如下：
(1)适用于大口径管道测量，口径范围75mm ~1200mm，较大口径可达1600mm；
(2)精确度一般优于±0.5%，重复性可达±0.1%；
(3)量程比很宽，可达300∶1以上；
(4)所需上下游直管段较短，上游为10D，下游为3D；
(5)无可动部件，使用安全、可靠；
(6)换能器轻巧，所占空间小，安装维护方便；
(7)无压损，为节能产品，可降低输气管道增压费用；
(8)可进行双向流量测量；
(9)不测质量流量；
(10)不受涡流及横截面流速分布变化的影响；
(11)可精确测量脉动流；
(12)不受温度、压力、气体组分变化的影响；
(13)不受沉淀物、湿气的影响；
(14)可在不断流、带压状态下更换换能器；
(15)具有自检、自诊断功能；
(16)管内无阻流件，可允许清洗球自由通过管道和流量计，清洗容易。
5.2、标定指标：
虽然美国燃气协会的AGA9号报告认为采用超声波流量计测量天然气允许误差为±0.7%(口径小于300mm可允许±1%)，按目前国外制造商的水平，不进行标定基本上都可以达到这个精确度要求。但不少天然气供应商在贸易计量时，为减少损失，仍希望通过标定来提高仪表的精确度。据Edgar估计，在DN400的管道中，输送6Mpa压力、750M3/h流量的天然气，如流量计误差为了0.7%，天然气价格按7美元/100M3计，那么每年将少收180万美元。而标定一台口径400mm的超声流量计，每次仅需约3万~4万美元，几个工作日就可回收标定费用。标定方式可以有实流标定及干标定两种方式。
5.3、实流标定：
实践证明，影响超声波流量精确度的因素很多，在实验室条件下进行。实流标定是提高流量计精确度行之有效的方法。实流标定可采取基准法及比对法。基准法是通过基本的物理量作为流量的基准来标定被校流量计，如Mt法；而比对法则是将一只精确度较高的流量计作为标准表，与被校仪表串联在同一管道上，在相同的流量下，比对两只流量计的差值，然后用流量系数来修正被校仪表的流量值，这种方法较基准法实施起来较为简便，但精确度低于基准法。以上两种标定方法，在我国成都华阳天然气流量计量站均可进行。
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