摘 要:從影響超聲波流童計(jì)精度的主要因素出發(fā),對(duì)比了夾裝式超聲波流 童計(jì)相對(duì)括入 式的優(yōu) 勢(shì),進(jìn)一 步闡述 了 寬束夾裝式 氣體超聲波流童計(jì) 的特.點(diǎn),對(duì) 氣體流童計(jì) 的選型、標(biāo) 定等具有一定實(shí)際 意義。

    超聲波流量計(jì)因其在被測(cè)管道內(nèi)無檢測(cè)件、儀表本身不產(chǎn)生壓損和量程比寬精度高等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地被用于管道氣體流量的測(cè)量，對(duì)于能指導(dǎo)工藝操作、監(jiān)測(cè)管道運(yùn)行情況和進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算天然氣長(zhǎng)輸管道而言，超聲波流量計(jì)具有突出的性能價(jià)格比。

1、基本原理：
   應(yīng)用聲波測(cè)量流量的方法，主要是利用聲波在靜止和流動(dòng)流體中的傳播速度不同原理，即對(duì)于固定坐標(biāo)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(dòng)介質(zhì)中的傳播速度等方法，求出流速和流量。應(yīng)用超聲波進(jìn)行流量測(cè)量，通常是由超聲換能器實(shí)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(dǎo)、管道壁將聲波射人被測(cè)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(cè)流體，即插人式。

2、夾裝式的優(yōu)點(diǎn)：
   對(duì)于天然氣管道計(jì)量而言，相對(duì)插人式，夾裝式超聲波流量計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn):
   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?yàn)槭菨窠佑|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(shí)，復(fù)雜而危險(xiǎn);
   4.幾乎不受渦流和橫向流的影響，計(jì)量精度高。

3、影響計(jì)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(cè)量理想的平直流態(tài)或者修正讀數(shù)錯(cuò)誤。

    夾裝式流量計(jì)對(duì)流態(tài)形狀的修正是利用流態(tài)形狀與分子間的動(dòng)量梯度以及到管壁之間的距離有關(guān)，簡(jiǎn)單地在夾裝短管式流量計(jì)換能器上游安裝一個(gè)縮徑，使分子之間相互擁擠相互分享動(dòng)量，達(dá)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(shí)流態(tài)平直就不需要流態(tài)補(bǔ)償。在流態(tài)變平直過程中，雷諾數(shù)保持不變，無論被測(cè)介質(zhì)的粘度如何變化都對(duì)計(jì)量沒有影響。在通過換能器后，恢復(fù)原來的管徑，確保整個(gè)短管壓損***小，現(xiàn)場(chǎng)安裝則要進(jìn)行流態(tài)和雷諾數(shù)的補(bǔ)償。

3. 2、渦流：
  插人式是采用對(duì)射方式，渦流與管道的軸線不對(duì)稱，因此渦流有可能與多個(gè)弦向聲道中的一個(gè)重合，這種情況下誤差可能會(huì)達(dá)到40%，所以通常需要整流器來防止渦流;然而現(xiàn)實(shí)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(jì)的徑向聲道成90“角，所以產(chǎn)生的誤差就非常小，如果在測(cè)量精度要求很高的情況下，需要消除這個(gè)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(shí)際流態(tài)流動(dòng)方向偏離軸向的角度，在直管段不足的情況下會(huì)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(jì)安裝方法是兩個(gè)換能器之間直接對(duì)射的發(fā)射接收方式，所以當(dāng)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(jì)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(jì)的標(biāo)定與聲速和流向的夾角的正弦成比例)。
   插人式流量計(jì)是采用對(duì)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(duì)于夾裝式，當(dāng)采用反射安裝時(shí)，聲波被反射后返回到發(fā)射換能器所在的同一剖面上，當(dāng)出現(xiàn)橫流時(shí)，在聲束的前部分產(chǎn)生一個(gè)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(jì)要在該聲道的對(duì)面增加一個(gè)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(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì))已證實(shí)，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(biāo)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(bǔ)償。另外空穴容易積累臟物，對(duì)氣體流量計(jì)而言則容易集液，是插人式流量計(jì)工作失效的主要原因，對(duì)于夾裝式而言，沒有空穴則沒有此類問題。

4、夾裝式流量計(jì)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(shí)發(fā)  出較寬范圍的頻率對(duì)管道壁進(jìn)行掃描和搜索，當(dāng)發(fā)射  頻率同管道固有頻率相同時(shí)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(cè)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(fù)性。
     寬束換能器的設(shè)計(jì)與每個(gè)管道的導(dǎo)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(gè)波譜，該波譜在管壁中正常振動(dòng)，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(dāng)大的聲能，I無論當(dāng)流體的任何化學(xué)或溫度變化而產(chǎn)生的流體中的  聲音特性的異常時(shí)，精度不受影響。

4. 1、換能器聲束寬度對(duì)流盈計(jì)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(duì)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(duì)于氣體流量計(jì)來說，在高流量時(shí)，聲波的1傳播速度相對(duì)較低;聲束被嚴(yán)重吹移，換能器有可能接，收不到信號(hào)或只能接收很小量的信號(hào)。全寬束夾裝式換能器的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)特性，產(chǎn)生寬束，換能器發(fā)射一個(gè)聲波，在管壁本身橫向振動(dòng)的同時(shí)，沿軸向向下方管壁傳播。

4. 2、汽泡和濕氣對(duì)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(duì)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(hào)將完全被阻擋，這就是插人式流量計(jì)在運(yùn)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(dá)接受換能器，因此寬束在高含氣量或者氣體測(cè)量中高含濕量的條件下，仍然可以高效測(cè)量。對(duì)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(jì)可以達(dá)到較高的測(cè)量精度。

4.3、寬束夾裝技術(shù)：
   對(duì)噪音的抗干擾性噪音對(duì)插人式超聲波流量計(jì)的干擾很難克服，插人式超聲波流量計(jì)的只能安裝在遠(yuǎn)離噪音源或者安裝復(fù)雜的抗干擾管，從而增加了安裝的局限性和費(fèi)用，然而寬束夾裝式流量計(jì)對(duì)噪音有內(nèi)在的抗干擾性。
   假定噪音向各個(gè)方向傳播，則噪音波的角度可以是相對(duì)軸向0一90°的任何角度，同管壁近于垂直的噪音波不會(huì)出現(xiàn)，沿著管道傳播很遠(yuǎn)就很快消失，只有同軸向角度較接近的噪音波(0一40°)才會(huì)沿著管道隨著氣體傳插較長(zhǎng)的距離從而導(dǎo)致對(duì)流量計(jì)的干擾。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于寬束夾裝式流量計(jì)，在管道里噪聲波相對(duì)于軸向小于且等于92“時(shí)(幾乎包括了全部噪音)，就會(huì)被管壁反射掉，不會(huì)有任何噪音穿過管壁進(jìn)人換能器。然而插人式換能器就不具有對(duì)氣體傳插的噪音的免疫力，噪音會(huì)直接進(jìn)人插人式換能器從而導(dǎo)致無法測(cè)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(yǔ)：
   夾裝式超聲波流量計(jì)近年來被廣泛地用于天然氣管道，而寬束夾裝式流量計(jì)具有優(yōu)良的重復(fù)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(jiǎn)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(fù)雜管道的流態(tài)影響小等特性，不失為一種優(yōu)良的計(jì)量器具。