中国石油化工股份有限公司洛阳分公司计量处　任翠平

　　时差式超声波流量计的应用技术近年来发展迅速，以其安装方便，维护量小，适用量程范围广，无接触测量等优点广泛应用于石化行业。根据管径及介质特点，首次在我厂大口径循环水管道(我厂供化纤循环水管线管径为DN1620)和其它五个循环水检测点上选用了康乐创生产的夹装时差式超声波流量计。它克服了插入式电磁流量计应用在大口径管道中存在的仪表故障率高，计量不准确的缺点，满足了计量的需要。现根据现场应用的经验将这种超声波流量计的特性及应用中可能影响测量准确度的一些问题分析如下。

　　一、测量原理

　　时差式超声波流量计用于测量液体流速对双向声波信号的影响。它的两个换能器(T1、T2)以一定的间距安装在管壁外，交替发射和接收超声波。当声波在静止的流体中传播时，从T1到T2的声波信号传送时间与从T2到T1的传送时间相同；当流体流动时，上游换能器T1向下游换能器T2发射一个信号，同时下游也向上游发射信号，而流体流速对声波信号的作用，将加快从上游到下游方向的信号速度，同时减慢从下游到上游方向的信号速度，两个信号之间产生了时间差，由此求得液体的流速，再与圆管的流通截面积相乘，计算出流量。流体流速的基本计算公式为:

　　Vf=Kdt/TL
　　式中:Vf——流速；K——标定系数；dt——上下游换能器测量出的时间的差；TL——测量出的声波平均穿过流体的时间。
　　测量原理如图1所示:

图1 时差式超声波流量计测量原理图

　　二、时差式超声波流量计的优点

　　1.超声波流量计由换能器和转换器两部分构成。换能器可安装在被测管道的外壁上，无需将管道截断或流体停流。这是一种非接触式测量，不阻扰管道内流体的流动，无压力损失、无介质泄漏，并且对介质的导电性和腐蚀性没有任何要求，仪表安装简单、操作方便。量程范围广，适合各种口径的管道，节省安装费用。智能度高，仪表维护量小。
　　2.采用智能型计算器，大容量的数据记录仪，有200KB到1MB的数据存储器，可以存储流量测量的历史数据，便于判断仪表故障，方便计量结算。
　　3.具有检测和指示含气量的功能，可以配合工艺操作。
　　4.系统设有自诊断功能，可以对管道中流体状态进行分析。当测量条件满足工作要求后，能自动恢复原工作状态。
　　5.仪表性能稳定，一般的时差式流量计准确度为1%～2%，可以满足循环水测量的需要。

　　三、影响流量计测量准确度的因素

　　1.上下游直管段对测量准确度的影响
　　标定系数K是雷诺数的函数，流体从层流过渡到紊流，流速分布不均匀，标定系数K将产生较大的变化，引起测量准确度下降，根据生产商要求，换能器应安装在上游直管段为10D，下游直管段为5D的位置，对于上游存在泵、阀等设备时直管段的长度，要求“距离紊流、震动、热源、噪音源和射线源越远越好”。我厂在试用该种流量计时曾遇到了上述问题，有一台流量计因为换能器上游有泵存在，而且换能器安装位置上游直管段不足10D，造成测量数据的波动大，一直不稳定，通过查询有关资料发现，日本JEMIS(日本电气测量仪器工业会)的标准对此有明确要求，如果换能器安装位置的上游有泵、阀等设备，要求直管段为30D以上。
　　因此，直管段长度是保证测量准确度的主要因素。

　　2.管道参数设置对测量准确度的影响
　　管道参数设置准确与否，与测量准确度关系密切。如果管道材质及尺寸的设置与实际管道尺寸不相符，将使理论管道流通截面积与实际流通截面积产生误差，导致最终结果不准确，另外，换能器之间的发射间距是根据流体(声速、动力粘度)、管道(材质和尺寸)、换能器的安装方式(V法或Z法)等各种参数综合运算的结果，换能器的安装距离产生偏差，也会引起很大的测量误差。其中管道内径的设置和安装距离对测量准确度影响比较突出，据有关资料介绍，若管道内径误差±1%，则引起约±3%的流量误差；若安装距离误差±1mm将产生±1%以内的流量误差，图2为不同管道内径误差±1mm对测量准确度的影响:

图2 不同管道内径误差±1mm对测量准确度的影响

　　可见，只有正确设置管道参数，换能器才能安装准确，减少管道参数设置对测量准确度的影响。

　　3.换能器安装位置对测量准确度的影响
　　换能器的安装有反射式(V型)和直射式(Z型)两种方式，如图3所示:

图3 换能器安装方式

　　利用Z法安装声束行程短，可以增强信号强度。我厂用于测量化纤循环水的两台流量计先后采用了两种方式进行安装，Z法的测量效果明显优于V法，而且另外五个检测点都采用Z法安装，测量效果比较好。
　　另外，换能器必须安装在与管线正切的方向，否则会影响声波的发射和接收，进而影响测量准确度。

　　4.含气量对测量准确度的影响
　　含气量对测量数据也有很大影响。不溶气体具有非常低的声阻抗，可能造成声束分散。含气量大时，将减小声波信号的强度。Vaer是该流量计表征含气量的参数，通常状态下Vaer<50，我厂用于测量化纤循环水的两台流量计的换能器安装位置不好，一台泵前有一个大晾水池，泵距换能器间直管段小于10D，测量数据不稳定；另一台泵距换能器间直管段距满足了10D的要求，测量数据比较稳定。由于工艺操作的需要，每半个月循环水中要加入一次剥离剂，管道中含气量大量增加。泵至换能器前直管段太短，气泡严重影响测量，流量计停止工作，其间大概持续两天时间。工况恢复正常时，流量计自动恢复工作(为了证实这一状况，同一时间，我们曾用多普勒式超声波流量计测量，可以正常工作，而且指示含量大)。
　　因此，要消除含气量，必须保证换能器前后直管段的长度。

　　5.耦合剂对测量准确度的影响
　　为了保证换能器和管道充分接触，安装换能器时需要往管道表面均匀地涂一层耦合剂，一般厚度为(2～3)mm。应将耦合剂内的气泡和颗粒挤出去，换能器的发射面应紧密的贴在管壁上。测量循环水的流量计大多安装在水井中，安装环境潮湿，有时会被水淹，如果选用一般的耦合剂，在很短时间内便会失效，影响测量准确度。因此，必须选用特制的防水耦合剂。

　　耦合剂有使用有效期，据生产商介绍，一般耦合剂可以使用18个月，因此，为了保证测量准确度，每18个月应该重新安装换能器，更换耦合剂。
　　上述分析表明，时差式超声波流量计应用于大口径管道循环水流量的测量具有明显的优越性。但是，超声波流量计的应用有一定的条件，只有在使用前了解仪表的性能标准及安装要求，选择良好的安装位置和满足安装条件的管道，正确安装、使用和维护，才能获得满意的应用效果。