[導讀] 通過對超聲波流量計的測量原理和影響超聲波測量精度的因素分析，詳細闡述了解決測量精度的具體方法，提供了儀表選型、安裝的指導性建議。
流量是煤層氣生產集輸中重要的參數之一。流量測量值的準確與否，將直接影響系統運行的穩定性和交接計量中雙方的經濟利益。目前國內生產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集成電路技術迅速發展才開始得到實際應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、性價比高、測量范圍寬（一般可達到20：1）等特點。傳播速度差法超聲波流量計的測量范圍可達到300：1。因此，在大管徑煤層氣的計量中使用超聲波流量計具有突出的優勢。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能很好地適應這一點。
1 超聲波流量計的測量原理
超聲波流量計由超聲波轉換器將電能轉換為超聲波能量，以一定的方式發射并穿過被測流體，接收器接收到超聲波信號，供顯示積算儀顯示和積算，實現流量的檢測顯示。超聲波流量計的2個超聲波換能器（又稱超聲波探頭）分別安裝在管道外壁兩側，以一定的傾角對稱（見圖la）或在同側（見圖1b）。
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-74-68374.png" />
圖1 超聲波流量計計量原理
超聲波換能器通常采用鋯鈦酸鉛陶制成，在電的激勵下，換能器產生超聲波以一定的入射角射入管壁，在管壁內以橫波形式傳播射入流體，并以縱波的形式在流體內傳播，最后透過介質，穿過管壁被另一換能器所接收。在測量時2個傳感器互為發射和接收探頭，為保證2個方向傳輸的超聲波處于相同的氣體流速下，設計時使2個換能器同時向對方發射超聲波。
按測量參數的不同，其測量原理可分為時差法、頻差法和相位差法3種，僅介紹常用的前2種類型。以圖la為例，傳感器與管線法線的角度為θ1，δ為管道壁厚，D為管道公稱直徑。超聲波脈沖信號的傳播速度為c，流體速度為v，2個傳感器（T1和T2）之間的連線與天然氣流動方向的夾角為θ，則超聲波速度在天然氣流動方向上的分量vcosθ，與流體速度疊加后的合速度為c±vcosθ。即當超聲波水平速度分量方向與流體流速方向一致時，兩者的合速度為c+vcosθ，反之為c－vcosθ。
1.1 差法計量原理
當T1發射T2接收時，T1到T2的傳輸時間：
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-43-68374.png" /> （1）
當T2發射T1接收時，T2到T1的傳輸時間為：
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-79-68374.png" /> （2）
整理后得到：
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-11-68374.png" /> （3）
則兩個方向的頻率差為：
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-77-68374.png" /> （4）
從（4）式可見，測到頻率差即可得到氣體流速v，由此可計算出體積流量，即：
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-77-68374.png" /> （5）
進而可得到天然氣的日產量公式：
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-67-68374.png" /> （6）
1.2 時差法計量原理
對（3）式整理得：
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-52-68374.png" /> （7）
這樣測到時間差t12和t21，兩個時間參數，即可求得氣體流速v，從而得出天然氣日產量公式：
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-44-68374.png" /> （8）
從（6）、（8）式可以看出，利用超聲波流量計測得的天然氣日產量Q與超聲波脈沖信號速度無關。
2 性能特征
超聲波流量計與孔板、渦輪、渦街等傳統流量計相比，具有適應性強，操作方便等特點（見表1）。
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-67-68374.png" />
3 影響超聲波流量測量準確性的因素
影響超聲波流量計準確性的因素很多，其主要因素有2個方面：儀表本身性能的影響；安裝質量的影響。
3.1 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確性是有影響的。因此，設計中應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%，可以滿足貿易交接計量的要求。
超聲波流量計的測量體有2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。然而現場應用的實際精度，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，消除了現場安裝轉換器位置的影響。在現場工藝條件允許的情況下推薦使用自帶測量管的測量方式。
3.2 安裝質量的影響
安裝地點的選擇必須保證轉換器前的流體沿管軸平行流動，所以應保證轉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（見表2）。流量計兩側的工藝管道內壁要光滑，不應有堆焊；帶測量管的超聲波流量計安裝時密封墊圈的內徑應比流量計的內徑大4~5mm，以防在法蘭緊固后伸入管道內，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。
流量計信息網內容圖片" src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201210/24/12-01-32-67-68374.png" />
3.3 超聲波流量計的調整和校驗
準確的調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行調校；對轉換器的安裝進行調校使得發射轉換器的聲波信號經流體中的傳播以后能正常地被接收轉換器所接收。對于帶測量管的超聲波流量計，由于發射轉換器和接收轉換器的相對位置固定，因此其調校均相對較為簡便，主要針對二次儀表的電子線路進行調校。
4 結語
氣體超聲流量計具有理論上無需進行流量標定、與檢測介質無關等無可比擬的優點，現正逐漸走向實用化。