摘 要:從影響超聲波流童計精度的主要因素出發(fā),對比了夾裝式超聲波流 童計相對括入 式的優(yōu) 勢,進一 步闡述 了 寬束夾裝式 氣體超聲波流童計 的特.點,對 氣體流童計 的選型、標 定等具有一定實際 意義。

    超聲波流量計因其在被測管道內(nèi)無檢測件、儀表本身不產(chǎn)生壓損和量程比寬精度高等優(yōu)點，越來越多地被用于管道氣體流量的測量，對于能指導工藝操作、監(jiān)測管道運行情況和進行經(jīng)濟核算天然氣長輸管道而言，超聲波流量計具有突出的性能價格比。

1、基本原理：
   應用聲波測量流量的方法，主要是利用聲波在靜止和流動流體中的傳播速度不同原理，即對于固定坐標系來說，聲波傳播速度與流體的流速有關(guān)，可以通過聲波在流動介質(zhì)中的傳播速度等方法，求出流速和流量。應用超聲波進行流量測量，通常是由超聲換能器實現(xiàn)發(fā)射和接收超聲波目的。換能器的安裝通常有兩種方式，一是斜置在管壁外側(cè)，通過聲導、管道壁將聲波射人被測流體，即夾裝式;也可將管道開孔，換能器緊貼著管道斜置，換能元件通過透聲膜將聲波直接射人被測流體，即插人式。

2、夾裝式的優(yōu)點：
   對于天然氣管道計量而言，相對插人式，夾裝式超聲波流量計有以下優(yōu)點:
   1.不需要切割管道，無壓損，不用停輸，無泄漏可能;
    2.換能器沒有象插人式一樣，發(fā)生磨損和結(jié)垢;幾乎不用更換，因為是濕接觸插人式發(fā)生問題后，要停輸和排空管道;
   3.插人式更換探頭時，復雜而危險;
   4.幾乎不受渦流和橫向流的影響，計量精度高。

3、影響計量精度的因素：
3. 1、流態(tài)形狀：
  流態(tài)的形狀取決于上下游管道的布置，通常流體的子彈頭形狀(見圖1)的尖銳程度和雷諾數(shù)有關(guān)，雷諾數(shù)越低越尖銳，雷諾數(shù)越高越平直。這表明在管道截面的不同區(qū)域流速是不同的，所以必須能測量理想的平直流態(tài)或者修正讀數(shù)錯誤。

    夾裝式流量計對流態(tài)形狀的修正是利用流態(tài)形狀與分子間的動量梯度以及到管壁之間的距離有關(guān)，簡單地在夾裝短管式流量計換能器上游安裝一個縮徑，使分子之間相互擁擠相互分享動量，達到平直流態(tài)。在縮徑下游2一SD處既形成子彈頭流態(tài)之前安裝換能器，此時流態(tài)平直就不需要流態(tài)補償。在流態(tài)變平直過程中，雷諾數(shù)保持不變，無論被測介質(zhì)的粘度如何變化都對計量沒有影響。在通過換能器后，恢復原來的管徑，確保整個短管壓損***小，現(xiàn)場安裝則要進行流態(tài)和雷諾數(shù)的補償。

3. 2、渦流：
  插人式是采用對射方式，渦流與管道的軸線不對稱，因此渦流有可能與多個弦向聲道中的一個重合，這種情況下誤差可能會達到40%，所以通常需要整流器來防止渦流;然而現(xiàn)實中并不是總有條件安裝整流器。    由于渦流的方向總是與夾裝式流量計的徑向聲道成90“角，所以產(chǎn)生的誤差就非常小，如果在測量精度要求很高的情況下，需要消除這個微小的誤差，可將換能器安裝在縮徑后面(如圖1所示)，形成足夠的混合角度來防止影響。

圖2渦流的特性

3. 3、橫向流：
  橫向流是指實際流態(tài)流動方向偏離軸向的角度，在直管段不足的情況下會有很大的橫向流存在。橫向流的影響比流態(tài)形狀的影響還大。由于插人式流量計安裝方法是兩個換能器之間直接對射的發(fā)射接收方式，所以當管道中存在彎頭后，流體的軸線方向和管道的軸線不在同一直線上了(如圖1所示)經(jīng)過計算橫向流可造成每度2%一3%的誤差，而夾裝式的誤差只有0. 0076%(根據(jù)流量計的標定與聲速和流向的夾角的正弦成比例)。
   插人式流量計是采用對射的方式，聲波是不能返回到發(fā)射換能器所在的同一剖面上，對于夾裝式，當采用反射安裝時，聲波被反射后返回到發(fā)射換能器所在的同一剖面上，當出現(xiàn)橫流時，在聲束的前部分產(chǎn)生一個偏角;而在反射的聲束上也產(chǎn)生了同樣大小而方向相反的偏角;誤差大幅降低。所以為了避免這一誤差，插人式流量計要在該聲道的對面增加一個聲道，這樣一來大大增加了成本。

圖3橫向流的特性

3.4、空穴：
  ASME(美國機械工程師協(xié)會)已證實，由于插人式換能器插人管道中形成的空穴所產(chǎn)生的流態(tài)破壞造成的流量標定中的非線性，這一非直線性是由于液體的粘度產(chǎn)生的，不可能被完全補償。另外空穴容易積累臟物，對氣體流量計而言則容易集液，是插人式流量計工作失效的主要原因，對于夾裝式而言，沒有空穴則沒有此類問題。

4、夾裝式流量計的發(fā)展前沿寬束技術(shù)：
     寬束技術(shù)采用寬頻技術(shù)，換能器在初始安裝時發(fā)  出較寬范圍的頻率對管道壁進行掃描和搜索，當發(fā)射  頻率同管道固有頻率相同時鎖定這一頻率，使換能器  和管壁二合一，管道變成了換能器的一部分。寬束換  能器總是向管壁發(fā)射與管壁固有頻率同相位的能量，  即造成振幅的同步增加，產(chǎn)生共振，它所發(fā)射的聲束更]大面積地覆蓋被測介質(zhì)的橫截面，沿著管壁發(fā)射的聲。波寬而均勻，這樣可以用較少的聲道便可得到很高的、穩(wěn)定性和重復性。
     寬束換能器的設計與每個管道的導聲特性(與管:道的材質(zhì)和壁厚有關(guān))相匹配的結(jié)果是在管壁中產(chǎn)生『一個波譜，該波譜在管壁中正常振動，可以避免模式轉(zhuǎn)‘換的狀態(tài)發(fā)生，該波通過管壁以”寬束”的形式射人流1體中。這樣就使得寬束換能器接收到相當大的聲能，I無論當流體的任何化學或溫度變化而產(chǎn)生的流體中的  聲音特性的異常時，精度不受影響。

4. 1、換能器聲束寬度對流盈計的影響：
  窄束插人式乏換能器所產(chǎn)生的聲束只是換能器本身的寬度，對于液三體，聲束的傳播速度受流速的影響很小，聲束的軸向位一移很小。但對于氣體流量計來說，在高流量時，聲波的1傳播速度相對較低;聲束被嚴重吹移，換能器有可能接，收不到信號或只能接收很小量的信號。全寬束夾裝式換能器的優(yōu)點在于換能器發(fā)出的聲波  是變頻的，以匹配不同的管材的聲導特性，產(chǎn)生寬束，換能器發(fā)射一個聲波，在管壁本身橫向振動的同時，沿軸向向下方管壁傳播。

4. 2、汽泡和濕氣對流f的影響：
  液體中的氣泡和氣體中的水分(液滴)將阻擋或散射聲波，對于窄束而言，如果聲束的寬度小于由氣泡或液滴的大小和數(shù)量所形成的寬度;接收信號將完全被阻擋，這就是插人式流量計在運行中不穩(wěn)定的重要因素之一。

圖4

    雖然氣泡或液滴可以擋住一部分聲束，但寬束仍然可以有很多聲束可以到達接受換能器，因此寬束在高含氣量或者氣體測量中高含濕量的條件下，仍然可以高效測量。對于一些管道系統(tǒng)含水量較高，或經(jīng)水試壓且試壓水不易清除的新投產(chǎn)管道來說，寬束夾裝式流量計可以達到較高的測量精度。

4.3、寬束夾裝技術(shù)：
   對噪音的抗干擾性噪音對插人式超聲波流量計的干擾很難克服，插人式超聲波流量計的只能安裝在遠離噪音源或者安裝復雜的抗干擾管，從而增加了安裝的局限性和費用，然而寬束夾裝式流量計對噪音有內(nèi)在的抗干擾性。
   假定噪音向各個方向傳播，則噪音波的角度可以是相對軸向0一90°的任何角度，同管壁近于垂直的噪音波不會出現(xiàn)，沿著管道傳播很遠就很快消失，只有同軸向角度較接近的噪音波(0一40°)才會沿著管道隨著氣體傳插較長的距離從而導致對流量計的干擾。實驗證明，對于寬束夾裝式流量計，在管道里噪聲波相對于軸向小于且等于92“時(幾乎包括了全部噪音)，就會被管壁反射掉，不會有任何噪音穿過管壁進人換能器。然而插人式換能器就不具有對氣體傳插的噪音的免疫力，噪音會直接進人插人式換能器從而導致無法測量，但采用寬束技術(shù)甚至可以將換能器直接安裝在壓力控制閥的旁邊。

5、結(jié)語：
   夾裝式超聲波流量計近年來被廣泛地用于天然氣管道，而寬束夾裝式流量計具有優(yōu)良的重復性和寬大的采樣面積，使大小管徑都能獲得相同的性能，因其更可靠、維修量更少、安裝簡單成本更低、流量量程范圍更大、可以適用高含氣量和高含濕量、受復雜管道的流態(tài)影響小等特性，不失為一種優(yōu)良的計量器具。