摘要超聲波流量計是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中測量流量的重要工具之一。超聲波流量計在大管徑天然氣計量中具有突出的優(yōu)點。通過對超聲波流量計的測量原理和影響超聲波流量計測量精度的因素分析，詳細(xì)闡述了解決測量精度的具體方法，提供了儀表選型、安裝的指導(dǎo)性建議。
    流量是天然氣生產(chǎn)集輸中重要的參數(shù)之一。流量測量值的準(zhǔn)確與否，將直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和交接計量中雙方的經(jīng)濟(jì)利益。目前國內(nèi)生產(chǎn)的基于各種原理測量流量的流量計種類很多，如容積式流量計、渦街流量計、差壓流量計、超聲波流量計等。其中，超聲波流量計是隨著is(集成電路)技術(shù)迅速發(fā)展才開始得到實際應(yīng)用的一種非接觸式儀表。與其他類型的流量計相比，超聲波流量計具有無壓力損失、性能價格比高、測量范圍寬(一般可達(dá)到20:1)等特點。傳播速度差法超聲波流量計的測量范圍可達(dá)到300:1。因此，在大管徑天然氣的計量中使用超聲波流量計更具有突出的優(yōu)勢。尤其在城市輸氣中，白天用氣高峰和夜間用氣低谷氣流量差別懸殊，超聲波流量計測量范圍寬的特點很好的適應(yīng)了這一點。
1、超聲波流量計的測量原理：
    超聲波流量計由超聲波轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，以一定的方式發(fā)射并穿過被測流體，接收器接收到超聲波信號，供顯示積算儀顯示和積算，實現(xiàn)流量的檢測顯示。
    超聲波流量計按測量原理，可以具有多種不同的形式。包括傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法、相關(guān)法和流速一液面法。這些方法用于流量測量各有利弊，可以根據(jù)被測流體、精度要求等的不同進(jìn)行選擇。從精度上看，傳播速度差法較好。其測量精度優(yōu)于±1. 0,有的多聲道超聲波流量計精度已高達(dá)±0. 5。滿足氣體交接計量的要求。目前大管徑天然氣計量中使用的超聲波流量計多數(shù)采用此種測量原理的流量計。
    超聲波流量計的測量原理通過測量流體的流速來換算成流體的質(zhì)量流量qm，其關(guān)系為:qm=puA
式中:qm一質(zhì)量流量，kg/s;      P一密度，kg/m3 ;      u—流速流體的流速，m/s;      A量截面，mzm。
    式(1)中，密度P取決于流體的介質(zhì)及工況，流量截面主要取決于管道的狀況及工況，一般均能準(zhǔn)確測得。所以測量流體的流速u，便是超聲波流量計的主要目的。
    傳播速度差法測流速就是根據(jù)聲波在流動的流體中，順流傳播的時間與逆流傳播的時間之差與被測流體的流速有關(guān)，求出流速的方法。當(dāng)聲波的傳播方向與流體的流動方向一致時，其傳播速度為(c+u)，當(dāng)聲波的傳播方向與流體的流動方向相反時，其傳播速度為(c一u)。其原理可表述為:

  式中:t1一聲波在流動的流體中順流傳播的時間，s;      t2一聲波在流動的流體中順流傳播的時            間，S;      L一一對超聲波發(fā)生器與接收器的距離，mo    因此順逆流情況下聲波傳播時間差△t = t2一t1 ,則公式(4)可表示為:

  由此可知，流速與△t/[tl(4t+tl)]成正比，比例系數(shù)l/2為常數(shù)，不受溫度變化的影響，只需將順流傳播時間t!及4t代入，進(jìn)行運(yùn)算即可求得流速。
2、影響超聲波流量測量準(zhǔn)確性的因素：
    影響超聲波流量計準(zhǔn)確性的因素很多，其主要因素有2個方面:一是儀表本身性能的影響;二是安裝質(zhì)量的影響。
    (1)流量計的選型：
    傳播速度差法的測量原理是測量超聲波傳播途徑上的平均流速，這一平均流速是否能正確反映流通截面上的流速對于測量的準(zhǔn)確性是有影響的。因此，設(shè)計中應(yīng)選用雙聲道或多聲道流量計以改善單聲道測量平均流速的不確定性。在實際使用中單聲道流量計精度為±2.0，可以滿足過程控制的要求。多聲道的流量計精度為±1.0，可以滿足貿(mào)易交接計量的要求。
    超聲波流量計的測量體有兩種形式:外夾裝式和自帶測量管式。外夾裝式超聲波流量計使用方便靈活，特別適用于改造工程。然而現(xiàn)場應(yīng)用的實際精度，常因工作疏忽，安裝距離和流通面積測量等誤差而造成精度下降。使用帶測量管的超聲波流量計降低了迎流流速分布的影響，減少了前后置直管長度的影響，消除了現(xiàn)場安裝轉(zhuǎn)換器位置的影響。在現(xiàn)場工藝條件允許的情況下使用自帶測量管的測量方式。
    (2)安裝質(zhì)量的影響：
    安裝地點的選擇必須保證轉(zhuǎn)換器前的流體是沿管軸平行流動，所以應(yīng)保證轉(zhuǎn)換器前有一定長度的直管段，所需直管段長度與流道上阻力件形式有關(guān)  (見表1)。流量計兩側(cè)的工藝管道內(nèi)壁要光滑，不應(yīng)有堆焊;帶測量管的超聲波流量計安裝時密封墊圈的內(nèi)徑應(yīng)比流量計的內(nèi)徑大4~5 mm，以防在法蘭緊固后伸入管道內(nèi)，造成有效流通面積減小，影響測量精度。夾裝式超聲波流量計可以安裝管道支撐架以減小管道振動對測量精度的影響。流量計的接地線要可靠接地。電纜屏蔽層也要可靠接地，以防止外界的各類電磁干擾。
    (3)超聲波流量計的調(diào)整和校驗    準(zhǔn)確的調(diào)整和校驗對流量計的正常工作非常重要。包括對流量顯示的二次儀表的電子線路進(jìn)行調(diào)校;對轉(zhuǎn)換器的安裝進(jìn)行調(diào)校使得發(fā)射轉(zhuǎn)換器的聲波信號經(jīng)流體中的傳播以后能正常地被接收轉(zhuǎn)換器所接收。對于帶測量管的超聲波流量計，由于發(fā)射轉(zhuǎn)換器和接收轉(zhuǎn)換器的相對位置固定，因此其調(diào)校均相對較為簡便，主要針對二次儀表的電子線路進(jìn)行調(diào)校。

表1流量計前后直管段長度要求
    隨著天然氣在我國能源體系中地位的日趨重要和以西氣東輸為代表的輸氣管道的增加，超聲波流量計以其非接觸式測量的獨(dú)特優(yōu)點，必將獲得更加廣泛的應(yīng)用。