中國石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司計量處　任翠平

　　時(shí)差式超聲波流量計的應用技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，以其安裝方便，維護量小，適用量程范圍廣，無(wú)接觸測量等優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于石化行業(yè)。根據管徑及介質(zhì)特點(diǎn)，首次在我廠(chǎng)大口徑循環(huán)水管道(我廠(chǎng)供化纖循環(huán)水管線(xiàn)管徑為DN1620)和其它五個(gè)循環(huán)水檢測點(diǎn)上選用了康樂(lè )創(chuàng )生產(chǎn)的夾裝時(shí)差式超聲波流量計。它克服了插入式電磁流量計應用在大口徑管道中存在的儀表故障率高，計量不準確的缺點(diǎn)，滿(mǎn)足了計量的需要?，F根據現場(chǎng)應用的經(jīng)驗將這種超聲波流量計的特性及應用中可能影響測量準確度的一些問(wèn)題分析如下。

　　一、測量原理

　　時(shí)差式超聲波流量計用于測量液體流速對雙向聲波信號的影響。它的兩個(gè)換能器(T1、T2)以一定的間距安裝在管壁外，交替發(fā)射和接收超聲波。當聲波在靜止的流體中傳播時(shí)，從T1到T2的聲波信號傳送時(shí)間與從T2到T1的傳送時(shí)間相同；當流體流動(dòng)時(shí)，上游換能器T1向下游換能器T2發(fā)射一個(gè)信號，同時(shí)下游也向上游發(fā)射信號，而流體流速對聲波信號的作用，將加快從上游到下游方向的信號速度，同時(shí)減慢從下游到上游方向的信號速度，兩個(gè)信號之間產(chǎn)生了時(shí)間差，由此求得液體的流速，再與圓管的流通截面積相乘，計算出流量。流體流速的基本計算公式為:

　　Vf=Kdt/TL
　　式中:Vf——流速；K——標定系數；dt——上下游換能器測量出的時(shí)間的差；TL——測量出的聲波平均穿過(guò)流體的時(shí)間。
　　測量原理如圖1所示:

圖1 時(shí)差式超聲波流量計測量原理圖

　　二、時(shí)差式超聲波流量計的優(yōu)點(diǎn)

　　1.超聲波流量計由換能器和轉換器兩部分構成。換能器可安裝在被測管道的外壁上，無(wú)需將管道截斷或流體停流。這是一種非接觸式測量，不阻擾管道內流體的流動(dòng)，無(wú)壓力損失、無(wú)介質(zhì)泄漏，并且對介質(zhì)的導電性和腐蝕性沒(méi)有任何要求，儀表安裝簡(jiǎn)單、操作方便。量程范圍廣，適合各種口徑的管道，節省安裝費用。智能度高，儀表維護量小。
　　2.采用智能型計算器，大容量的數據記錄儀，有200KB到1MB的數據存儲器，可以存儲流量測量的歷史數據，便于判斷儀表故障，方便計量結算。
　　3.具有檢測和指示含氣量的功能，可以配合工藝操作。
　　4.系統設有自診斷功能，可以對管道中流體狀態(tài)進(jìn)行分析。當測量條件滿(mǎn)足工作要求后，能自動(dòng)恢復原工作狀態(tài)。
　　5.儀表性能穩定，一般的時(shí)差式流量計準確度為1%～2%，可以滿(mǎn)足循環(huán)水測量的需要。

　　三、影響流量計測量準確度的因素

　　1.上下游直管段對測量準確度的影響
　　標定系數K是雷諾數的函數，流體從層流過(guò)渡到紊流，流速分布不均勻，標定系數K將產(chǎn)生較大的變化，引起測量準確度下降，根據生產(chǎn)商要求，換能器應安裝在上游直管段為10D，下游直管段為5D的位置，對于上游存在泵、閥等設備時(shí)直管段的長(cháng)度，要求“距離紊流、震動(dòng)、熱源、噪音源和射線(xiàn)源越遠越好”。我廠(chǎng)在試用該種流量計時(shí)曾遇到了上述問(wèn)題，有一臺流量計因為換能器上游有泵存在，而且換能器安裝位置上游直管段不足10D，造成測量數據的波動(dòng)大，一直不穩定，通過(guò)查詢(xún)有關(guān)資料發(fā)現，日本JEMIS(日本電氣測量?jì)x器工業(yè)會(huì ))的標準對此有明確要求，如果換能器安裝位置的上游有泵、閥等設備，要求直管段為30D以上。
　　因此，直管段長(cháng)度是保證測量準確度的主要因素。

　　2.管道參數設置對測量準確度的影響
　　管道參數設置準確與否，與測量準確度關(guān)系密切。如果管道材質(zhì)及尺寸的設置與實(shí)際管道尺寸不相符，將使理論管道流通截面積與實(shí)際流通截面積產(chǎn)生誤差，導致最終結果不準確，另外，換能器之間的發(fā)射間距是根據流體(聲速、動(dòng)力粘度)、管道(材質(zhì)和尺寸)、換能器的安裝方式(V法或Z法)等各種參數綜合運算的結果，換能器的安裝距離產(chǎn)生偏差，也會(huì )引起很大的測量誤差。其中管道內徑的設置和安裝距離對測量準確度影響比較突出，據有關(guān)資料介紹，若管道內徑誤差±1%，則引起約±3%的流量誤差；若安裝距離誤差±1mm將產(chǎn)生±1%以?xún)鹊牧髁空`差，圖2為不同管道內徑誤差±1mm對測量準確度的影響:

圖2 不同管道內徑誤差±1mm對測量準確度的影響

　　可見(jiàn)，只有正確設置管道參數，換能器才能安裝準確，減少管道參數設置對測量準確度的影響。

　　3.換能器安裝位置對測量準確度的影響
　　換能器的安裝有反射式(V型)和直射式(Z型)兩種方式，如圖3所示:

圖3 換能器安裝方式

　　利用Z法安裝聲束行程短，可以增強信號強度。我廠(chǎng)用于測量化纖循環(huán)水的兩臺流量計先后采用了兩種方式進(jìn)行安裝，Z法的測量效果明顯優(yōu)于V法，而且另外五個(gè)檢測點(diǎn)都采用Z法安裝，測量效果比較好。
　　另外，換能器必須安裝在與管線(xiàn)正切的方向，否則會(huì )影響聲波的發(fā)射和接收，進(jìn)而影響測量準確度。

　　4.含氣量對測量準確度的影響
　　含氣量對測量數據也有很大影響。不溶氣體具有非常低的聲阻抗，可能造成聲束分散。含氣量大時(shí)，將減小聲波信號的強度。Vaer是該流量計表征含氣量的參數，通常狀態(tài)下Vaer<50，我廠(chǎng)用于測量化纖循環(huán)水的兩臺流量計的換能器安裝位置不好，一臺泵前有一個(gè)大晾水池，泵距換能器間直管段小于10D，測量數據不穩定；另一臺泵距換能器間直管段距滿(mǎn)足了10D的要求，測量數據比較穩定。由于工藝操作的需要，每半個(gè)月循環(huán)水中要加入一次剝離劑，管道中含氣量大量增加。泵至換能器前直管段太短，氣泡嚴重影響測量，流量計停止工作，其間大概持續兩天時(shí)間。工況恢復正常時(shí)，流量計自動(dòng)恢復工作(為了證實(shí)這一狀況，同一時(shí)間，我們曾用多普勒式超聲波流量計測量，可以正常工作，而且指示含量大)。
　　因此，要消除含氣量，必須保證換能器前后直管段的長(cháng)度。

　　5.耦合劑對測量準確度的影響
　　為了保證換能器和管道充分接觸，安裝換能器時(shí)需要往管道表面均勻地涂一層耦合劑，一般厚度為(2～3)mm。應將耦合劑內的氣泡和顆粒擠出去，換能器的發(fā)射面應緊密的貼在管壁上。測量循環(huán)水的流量計大多安裝在水井中，安裝環(huán)境潮濕，有時(shí)會(huì )被水淹，如果選用一般的耦合劑，在很短時(shí)間內便會(huì )失效，影響測量準確度。因此，必須選用特制的防水耦合劑。

　　耦合劑有使用有效期，據生產(chǎn)商介紹，一般耦合劑可以使用18個(gè)月，因此，為了保證測量準確度，每18個(gè)月應該重新安裝換能器，更換耦合劑。
　　上述分析表明，時(shí)差式超聲波流量計應用于大口徑管道循環(huán)水流量的測量具有明顯的優(yōu)越性。但是，超聲波流量計的應用有一定的條件，只有在使用前了解儀表的性能標準及安裝要求，選擇良好的安裝位置和滿(mǎn)足安裝條件的管道，正確安裝、使用和維護，才能獲得滿(mǎn)意的應用效果。