超聲波流量計走進(jìn)人類的生產(chǎn)活動中的歷史大概始于20世紀(jì)的90年代，不過人類真正的掌控超聲波的產(chǎn)生技術(shù)還要追溯到19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，因為物理學(xué)上取得了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)的發(fā)明突破之后以，解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，這對于超聲波未來的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，自此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章，目前超聲波技術(shù)已被**運用于工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域，人類的生產(chǎn)與生活已經(jīng)與超聲波技術(shù)密切相關(guān)。 

人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ?！〕暡ㄊ且环N在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。工業(yè)生產(chǎn)中的超聲波類型主要是縱向振蕩。 

超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。人科利用超聲波的這種特性，做成了各種超聲傳感器，通過搭配各不相同的測量電路和計算單元，便可以制成各種超聲測量儀器及裝置。 

氣體超聲流量計的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，由于它的一些突出優(yōu)點：測量準(zhǔn)確度高、量程比寬、無壓 損、無可動部件、安裝使用費低等，受到用戶的歡迎。它是繼孔板流量計，渦輪流量計之后第三類適用于高壓、大口徑、高準(zhǔn)確度的天然氣流量計。由于技術(shù)條件的 限制，以前人們研究的主要是超聲波液體流量計。隨著科學(xué)技術(shù)特別是電子技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，超聲波氣體流量計才日益受到人們的重視，并開始逐步走向?qū)?用化、**化。大部分由測量短管和插入管壁換能器組成一體的形式出現(xiàn)，由于測量準(zhǔn)確度較低(1.5%F.S~2.O%F.S)，過去未能在價格昂貴的天然 氣貿(mào)易結(jié)算計量領(lǐng)域大量運用?，F(xiàn)在它在天然氣工業(yè)中的成功應(yīng)用己有突破性進(jìn)展。 

由于準(zhǔn)確度高和維修費用低，多聲道氣體超聲波流量計己被氣體工業(yè)界接受，它 是自氣體渦輪流量計后被氣體工業(yè)界接受的重要的氣體流量計量器具。至今已有較多國家的政府機構(gòu)批準(zhǔn)氣體超聲波流量計為法定計量器具。根據(jù)檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法等不同類型的超聲波流量計。超聲波流量計適于不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量測量。 

自20世紀(jì)90年代，氣體超聲波流量計 像一顆耀眼的新星驟然升起，出現(xiàn)多種型號準(zhǔn)確度較高的氣體超聲波流量計，現(xiàn)已有多種測量技術(shù)，其主要產(chǎn)品有：時差式超聲波流量計、頻差式超聲波流量計、插入式超聲波流量計等。

一、時差式超聲波流量計的基本工作原理與流量方程及組成部分

(一)工作原理與流量方程

超聲波流量計的基本原理是超聲波在流動的流體中傳播時，載上流體流速的信息，因此，通過對接收到的超 聲波進(jìn)行測量，就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。超聲波流量計由超聲波換能器、信號處理電路、單片機控制系統(tǒng)三部分組成。在有氣體流動的管道中， 超聲脈沖順流傳播的速度要比逆流時快；流過管道的氣體的速度越快，超聲順流和逆流傳播的時間差越大。分為時差式(測量順流和逆流傳播的時間差)、相差式 (測量順流和逆流傳播的相位差)、頻差式(測量順流和逆流傳播的循環(huán)頻率差)、多普勒超聲波流量計(以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為工作原理，適合于對兩相流的 測量)。
       流量計以測量聲波在流動介質(zhì)中傳播的時間與流量的關(guān)系為原理。通常認(rèn)為聲波在流體中的實際傳播速度是由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度和流體軸向平均流速( Vm)在聲波傳播方向上的分量組成。按圖2-53所示，順流和逆流傳播時間與各量之間的關(guān)系是

式中：
tup——超聲波在流體中逆流傳播的時間；
t_down——超聲波在流體中順流傳播的時間；
L——聲道長度；
C_f——聲波在流體中傳播的速度；
Vm——流體的軸向平均流速；
Φ——聲道角。

可利用上式的兩個公式得出流體流速的表達(dá)式

也可以用相似的方法獲得聲波的傳播速度

將測得的多個聲道的流體流速利用數(shù)學(xué)的函數(shù)關(guān)系聯(lián)合起來，可得到管道平均流速的估計值 ，乘以過流面積A，即可得到體積流量qv，如下式

其中：

式中：

i——聲道數(shù)量。

注：即使是給出了路徑的數(shù)目，但F（v1，…， vi，)的精確形式也會因聲道排列情況以及數(shù)值計算方法的不同而不同。

(二)結(jié)構(gòu)形式

1.構(gòu)成

流量計主要由流量計表體、超聲波換能器及其安裝部件和信號處理單元組成。對于現(xiàn)場插入式和外夾式流量計，安裝換能器處的管道可做表體使用。插入式流量計的換能器直接與被測流體接觸，外夾式流量計的換能器緊密安裝在管道壁外。

2.形式

流量計按換能器安裝方式可分為插入式和外夾式兩種形式。

插入式流量計根據(jù)換能器的數(shù)量不同，分為單聲道流量計，雙聲道流量計和多聲道流量計。

流量計的輸出方式有脈沖輸出、模擬量輸出和數(shù)字通訊輸出等。

超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)蘭部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換 為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算，這樣就實 現(xiàn)了流量的檢測和顯示。

超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適當(dāng)?shù)陌l(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的 壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆 壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓 電元件材料多采用錯鐵酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件固定入聲道中，構(gòu)成換能器整體(又稱探頭)。

超聲波流量計的電子線路包括發(fā)射、接收、信號處理和顯示電路。測得的瞬時流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。

根據(jù)對信號檢測的原理，目前超聲波流量計大致可分傳播速度差法(包括：直接時差法、時差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等類型。其中以噪聲法原理及結(jié)構(gòu)簡單，便于測量和攜帶，價格便宜但準(zhǔn)確度較低，適于在流量測

量準(zhǔn)確度要求不高的場合使用。由于直接時差法、時差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過測量超聲 波脈沖順流和逆流傳播時速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以 被**采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差法又分為：Z法(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳 播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來反映流體流速的，低流速時，靈敏度很低適用性不大。多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超 聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測量流量，原理上，此法的測量準(zhǔn)確度與流體中的聲速無關(guān)， 因而與流體溫度、濃度等無關(guān)，因而測量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器件價格貴，線路比較復(fù)雜。噪聲法(聽音法)是利用管道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流體 的流速有關(guān)的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，設(shè)備價格便宜，但準(zhǔn)確度低。

以上幾種方法各有特點，應(yīng)根據(jù)被測流體性質(zhì)。流速分布情況、管路安裝地點以及對測量準(zhǔn)確度的要求等因 素進(jìn)行選擇。一般說來由于工業(yè)生產(chǎn)中介質(zhì)的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時差法。只有在管徑很大時才采用直接時差法。對換能器安裝方法的選擇原則 一般是：當(dāng)流體沿管軸平行流動時，選用Z法：當(dāng)流動方向與管軸不平行或管路安裝地點使換能器安裝間隔受到限制時，采用V法或X法。當(dāng)流場分布不均勻而表前 直管段又較短時，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來克服流速擾動帶來的流量測量誤差。多普勒法適于測量兩相流，可避免常規(guī)儀表由懸浮?；驓馀菰斐傻?堵塞、磨損、附著而不能運行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開展，煤油混合(COM)、煤水混合(CWM)燃料的輸送和應(yīng)用以及燃 料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量 計應(yīng)用開辟廣闊前景。

(三)計量性能要求

表2-10為推薦的準(zhǔn)確度等級系列，如采用非表中所列準(zhǔn)確度等級，需在流量計產(chǎn)品說明書中及流量計銘 牌上明示。流量計在qt≤q≤qmax的流量范圍內(nèi)，其大允許誤差應(yīng)符合表10的規(guī)定，在qmin≤q≤qt的流量范圍內(nèi)，大允許誤差不超過表中規(guī)定 的大允許誤差的2倍。并且，對氣體流量計， qt對應(yīng)由流速應(yīng)不大于3m/s；對液體流量計， qt對應(yīng)的流速應(yīng)不大于0.3m/s。

(1)流量計系數(shù)調(diào)整

連續(xù)兩次檢定之間流量計系數(shù)的調(diào)整量應(yīng)不超過準(zhǔn)確度等級所對應(yīng)的大允許誤差的2倍。如超過，可降低該流量計的準(zhǔn)確度等級直至滿足要求，或按檢定不合格處理。

(2)重復(fù)性

流量計的重復(fù)性不得超過相應(yīng)準(zhǔn)確度等級規(guī)定的大允許誤差**的1/3。

(3)雙向測量的流量計兩個測量方向應(yīng)分別進(jìn)行檢定。

(4)外夾式流量計應(yīng)對每對探頭分別檢定，并盡量在與使用管徑相同的管徑下進(jìn)行檢定。如使用管徑與檢定管徑之比大于2或小于1/2，使用時流量計應(yīng)增加一個0.5%的附加誤差。

(四)用途

時間差法流量計用于單相液體或氣體的流量測量，多普勒流量計主要用于污水流量測量。

(五)多聲道超聲波聲速差法氣體流量計的原理

多聲道超聲波速差法氣體流量計采用聲速差法，通過準(zhǔn)確測量超聲波沿氣流順向及逆向傳播的聲速差，測量 各種口徑管道內(nèi)穩(wěn)態(tài)或脈動氣流的雙向流速、流量。具有測量快速、對氣體無流阻、無壓力損失、量程寬、測量結(jié)果不受氣體聲速、成分、壓力、溫度變化的影響、 對大管徑及脈動氣流也能進(jìn)行正確測量等優(yōu)點，解決了目前大口徑大流量氣體缺乏準(zhǔn)確、便捷計量手段的難題。

采用超聲檢測技術(shù)，通過測量超聲波沿氣流順向和逆向傳播的聲速差、壓力和溫度，算出氣體流速及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的流量。其原理如圖2-54所示。

圖中，假設(shè)管道內(nèi)徑為D，兩換能器間的超聲傳播距離為L，超聲傳播方向與軸線之間的夾角為θ，則管道內(nèi)換算成標(biāo)準(zhǔn)工況下的氣體流量q可表示為：

式中：

t1、t2——分別為超聲波順向傳播聲時和逆向傳播聲時間；

τ1、τ2——分別為超聲順向傳播和逆向傳播時電路、電纜及換能器等產(chǎn)生的聲延時間；

P、T——分別為管道中實測的氣體壓方和溫度；

Po、To——分別為標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體的壓力和溫度。

在實際應(yīng)用中，流量計采用了多聲道的方法來消除流速分布不均勻的影響。

流量計由于采用了"隨機多次測量時間間隔后平均"、"過零電平檢測"、"提高超聲發(fā)射接收能力"、"盡可能高的時標(biāo)頻率"及多聲道等技術(shù)措施，從而大大提高了儀器的測時及流量的準(zhǔn)確度。

(六)換能器信號傳播與接收

在超聲流量計中通常采用壓電陶瓷材料做為換能器，它具有高聲阻，而氣體的聲阻是低的，因此對于陶瓷換 能器向氣體輸送能量阻撓匹配是很困難的，至少工作過程是低效率的。接收信號的特性還與聲束傳播順流或逆流有關(guān)，各類流量計解決此問題采取不同的方案。傳統(tǒng) 的方法是應(yīng)用很低密度材料覆蓋于壓電陶瓷材料換能器的表面，以達(dá)到不同阻撓的匹配。此覆蓋層應(yīng)穩(wěn)定，應(yīng)用此技術(shù)除耦合外還可以改善結(jié)構(gòu)問題。為了降低換能 器的振響，可附加一個吸收襯墊，通常此類換能器的頻率范圍為140kHz到180kHz。聚氟乙烯(PVDF)膜具有低聲阻特性，它在伸張和支撐時有壓電 性質(zhì)，可以做為發(fā)射器，亦可做為接收器的可逆工作方式。其缺點是對溫度敏感，因此其電子線路的增益需要隨時改變以適應(yīng)它。換能器的一個工作難題是換能器需 面臨灰塵，在所有網(wǎng)狀系統(tǒng)中皆有一些灰塵，但在陳舊系統(tǒng)可能存在所謂塵暴。灰塵主要由氧化鐵和二氧化硅組成，當(dāng)速度分布變化或其他擾動時氣流就積聚它，它 對換能器的機械磨損以及喪失線性特性等方面有很大關(guān)系。

對于流量計低流量時的準(zhǔn)確度，換能器的線性度很重要，非線性特性甚至在無流量時可能引起兩方向的計時差別，結(jié)果實際上無流量卻出現(xiàn)流量顯示，因此換能器需要良好的線性度?；覊m附著于線性換能器的表面，可能使換能器具有不同的振幅而產(chǎn)生非線性。

常用安裝方法：

(1)平行雙聲道Z法(即一側(cè)換能器斜方向發(fā)射聲波到對面一側(cè)換能器接收)

(2)雙聲V法反射，其特點是發(fā)射換能器發(fā)射聲束散射至對面一側(cè)換能器接收，布置于弦位置上。

(3)單聲道V法(即發(fā)射聲波經(jīng)對面管壁反射到同側(cè)另一換能器接收)傳播方式。

(4)四聲道組合傳播聲波，兩個聲道是V法反射布置，為流量測量的基本信號；另兩個聲道之一的聲束是按直徑途徑傳播，之二的聲束是按三角形反射途徑傳播，作為流速分布修正的輔助信號。

(七)精密計時技術(shù)

如果要滿足規(guī)范要求的低流量的不確定度，雙向信號的計時不確定度約為3ns（納秒）。由于應(yīng)用低功率 電源的限制，要達(dá)到它十分困難，甚至10MHz的計時時鐘允許的直接計時亦僅lOOns。在計數(shù)周期內(nèi)進(jìn)行大量的測量有其優(yōu)點。如果測量是真正隨機性的， 允許單次測量有大的不確定度，其平均值仍可達(dá)到低的不確定度。至今流量計開發(fā)與達(dá)到要求的不確定度的平均值無關(guān)，這很可能是因為在校準(zhǔn)和測試時必須在極短 周期內(nèi)顯示特性能力的原因所在。

1.脈沖重復(fù)性法

在此技術(shù)中應(yīng)用低頻時鐘，用多次傳送信號沿管道而下來增加測量時間。當(dāng)*先個脈沖傳送沿管道而下計時 器啟動，到達(dá)時進(jìn)行檢測，接著馬上另一個脈沖同方向往下送，如此一直到幾百個脈沖。當(dāng)目標(biāo)脈沖到達(dá)時計時器停止，這樣它測量的時間是一個脈沖傳送時間的幾 百倍。因此時鐘頻率可以降低幾百倍。

2.相位法

相位法是采用一個特制的發(fā)射24次正弦波的信號，它具有三分之二的直通反相。發(fā)射的信號是由 1.44MHz時鐘產(chǎn)生的，計數(shù)可低到180kHz，因此它會產(chǎn)生鎖相。一組數(shù)目為8只的電容器由時鐘開關(guān)接收信號，在相開關(guān)前16次周波時間內(nèi)對來波進(jìn) 行很好地平均。用一臺相位檢測器與此來波平均值進(jìn)行比較，實測到逆向并停止采樣。這樣測量確定的時間是一個時鐘脈沖，但它不太準(zhǔn)確。探察到電容器上存儲波 形的相位，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀出8個電容器上的每個電壓值。如果倒相停止，在接收信號相位開始時準(zhǔn)確地收集數(shù)據(jù)，則接收信號和驅(qū)動信號(和時鐘)將同相位，時 鐘脈沖的積分值相當(dāng)于被測的傳播時間。一般其間有一個相位差，它需用擬合程序曲線來確定?？梢哉J(rèn)為它能做到信號的一個周期的千分之一，即達(dá)到幾納秒的準(zhǔn)確 度。為了進(jìn)行"相位展開"，用一種分開的閾值和單脈沖換能器激勵的比較器直接測量傳播時間。

3.時鐘周期插入法

接收波形的一部分與時鐘速率同步進(jìn)行數(shù)字化，此數(shù)據(jù)存儲起來。如果計時從零線起，則易于得到時鐘脈沖 的積分值，它是在零線前完成的。然后進(jìn)行插入法以得到零線上時鐘周期的份額?？赡苡靡环N高速電壓發(fā)射器進(jìn)行插入，發(fā)射器固定一個時鐘周期，這個電壓是在計 時瞬間采樣的。發(fā)射器的采樣電壓被大電壓除，它是所要求的時鐘周期的一部分。超聲在導(dǎo)管中傳播一般以一系列模式進(jìn)行，這些模式的準(zhǔn)確性質(zhì)與導(dǎo)管的幾何形 狀密切相關(guān)，如果它們的復(fù)雜性增加，則其傳播速度就要降低。平面波是簡單模式，通常按此模式傳播。其他模式有截止的頻率，當(dāng)?shù)陀诖祟l率后在導(dǎo)管中不再傳 播。如果一種模式接近于截止頻率，則其速度趨于零。當(dāng)經(jīng)過導(dǎo)管傳播之后，接收到的波的形狀包含有許多模式的組合信號，它受到外延信號的影響。在管道中超聲 脈沖的傳播時間在沒有流量時兩個方向是相同的，有流體存在時，換能器產(chǎn)生的時間遲滯無論作為發(fā)射器或接收器必須是一樣的。

由于當(dāng)流量為零時兩個方向的傳播時間差必須很小，因此上下游傳播線路的時間延遲不能有差別，這點是很重要的，可接受的大的時間差為2ns。對于130kHz信號，當(dāng)采用零線計時時，其相位的穩(wěn)定性為0.1°， 這樣對于兩個分開的放大器在很寬的溫度范圍內(nèi)工作要保持它是很嚴(yán)峻的。好有盡量多的公用線路以免發(fā)生延遲時間差，它會使零流速時測量惡化。在零流量時傳 播時間測量可能相等，但是靜止仍產(chǎn)生誤差，因為電子線路遲滯和換能器引起的遲滯ΔT，產(chǎn)生的流速測量誤差為2ΔT/To，To為靜止氣體的傳播時間。如果 它保持恒定，這就不嚴(yán)重，但是To隨氣體種類及溫度而變。當(dāng)ΔT為2μs時誤差約為1%，從空氣到熱氣體聲速將發(fā)生變化，它大概變化1/4，即變化測量值 25%。

消除換能器及其電子線路引起的遲滯的一種辦法是應(yīng)用多次反射，它僅采用時間差以抵消其遲滯。

(八)單片機控制系統(tǒng)

目前單片機的技術(shù)比較成熟，超聲波流量計主要采用低功耗的超大規(guī)模集成電路——名副其實的單片機 (CPU、EPROM、RAM、I/O、A/D、D/A及計時器等都集成在一個芯片)，采用低功耗的液晶顯示。采用單片機技術(shù)后做成IC卡式智能儀表很易 于與銀行系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)先購買后使用，解決拖欠賬問題，便于管理，易于實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信控制及宏觀調(diào)節(jié)。而且可以進(jìn)一步開發(fā)更多功能，如防盜氣、用氣記錄檔 案、家庭醫(yī)生等。

二、超聲波流量計的性能特點

①無阻擋，無可動部件，無壓損，無示值漂移現(xiàn)象，量程比較寬；

②不受氣體壓力、溫度或組分變化的影響；

③不受氣體中固體顆粒和液滴的影響；

④重復(fù)性好，準(zhǔn)確度高，線性好，可采用多次反射并將聲程加長；

⑤單片機系統(tǒng)有自檢測與自診斷功能，易于實現(xiàn)通信；

⑥相對于管軸線是**軸對稱的，不受安裝方位、速度分布和渦流的影響。

三、超聲波流量計應(yīng)用領(lǐng)域及前景

①天然氣工業(yè)的貿(mào)易輸送計量、氣體分配、調(diào)合、控制和檢漏等方面；

②地下儲氣庫(雙向計量)；

③過程工業(yè)中高價值氣體的計量和火電廠耗氣量等一般流量計量或檢測場合；

④作為常規(guī)貿(mào)易計量儀表的標(biāo)準(zhǔn)表。

中國龐大的西氣東輸工程，建設(shè)成一條長達(dá)四千多公里的西氣東輸管道，是中國西部大開發(fā)標(biāo)志性項目。準(zhǔn) 確地進(jìn)行天然氣流量測量是企業(yè)部門進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析、降低運行成本的關(guān)鍵一環(huán)，直接地影響著一個企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，倍受供需雙方關(guān)注。隨著世界能源供求日益緊 張，人們都十分關(guān)心并尋求一種準(zhǔn)確度高，適應(yīng)性強的流量計來測量天然氣流量，以維護(hù)企業(yè)的利益。超聲波流量計自投放市場以來，與目前其他類型流量計相比， 顯然有著更高更好的性能特性，因而倍受人們青睞。近幾年，在北美及加拿大新建設(shè)幾條大型輸氣管道工程中，已開始用超聲波流量計。作為貿(mào)易計量，應(yīng)用效果己 得到證實。近幾年來，我國先后從國內(nèi)引進(jìn)了超聲波流量計約幾十臺。我國流量界相當(dāng)關(guān)注這一新型流量儀表。超聲波流量計計量準(zhǔn)確度可達(dá)到0.5%，具有準(zhǔn) 確度高、重復(fù)性好、量程比寬、抗干擾能力較強、維修量小、可測雙向流等特點。為保證計量系統(tǒng)準(zhǔn)確度，在現(xiàn)場使用前須經(jīng)實流測試校準(zhǔn)。

盡管超聲波流量計與目前使用**的孔板流量計相比，有著更多的優(yōu)點，主要反映在有雙向測量，大量程 比，無壓損，無可動部件和高準(zhǔn)確度等。但由于孔板流量測量技術(shù)歷史悠久，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，使用簡單可靠，一般無特殊要求時無須標(biāo)定等特點。由此可見，盡管超 聲波流量計己問世，它只能起到補充作用，不可能完全替代孔板。在今后相當(dāng)長一個時期內(nèi)，由于種種因素的制約，特別是標(biāo)定不能獲得妥善解決之前，孔板流量計 仍是天然氣計量主要手段之一。

四、定期標(biāo)定問題

任何一種新型流量計要獲得工業(yè)化應(yīng)用和認(rèn)可都要歷經(jīng)一個相當(dāng)長的過程，這因為人們一方面對它的認(rèn)識要 有過程，另一方面流量計本身與應(yīng)用中所暴露出來的問題，要得到滿意的解決也要有過程。從超聲波流量計的結(jié)構(gòu)和測量原理來看，這種速度型流量儀表可以實現(xiàn)" 干標(biāo)"(即是靜態(tài)標(biāo)定)。這是因為流量計腔體幾何尺寸D和聲道長度尺寸L和X值(X代表傳感器間的軸向長度)，利用目前的測量技術(shù)及手段，幾何尺寸是可以 獲得準(zhǔn)確測定。如果電子電路和傳感器的性能獲得準(zhǔn)確測量，傳感器組件的電氣特性穩(wěn)定并具有可互換性，那么"干標(biāo)"就可獲得實際的應(yīng)用。然而，目前仍沒有足 夠技術(shù)措施和理由來證明這一點，也就是未就"干標(biāo)"達(dá)成共識。當(dāng)前，在北美、南美、歐洲，對貿(mào)易計量的超聲波流量計供需雙方都要求有足夠的測量準(zhǔn)確度，基 于合同雙方這一要求，可信賴辦法還是要動態(tài)標(biāo)定。對于口徑較小的氣體超聲波流量計， D_N<300mm等于利用目前國內(nèi)外已建標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行標(biāo)定已可以辦到；對于口徑大于D_N300mm， 高壓大流量標(biāo)準(zhǔn)裝置目前還很難辦到。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，將流量計從現(xiàn)場卸下來運到標(biāo)定中心去標(biāo)定，對于用戶來講是一種極大的負(fù)擔(dān)，而且每標(biāo)定一次費用是 相當(dāng)高的，相比之下大口徑流量計其費用占有更高百分比。從制造廠角度來看，為了使流量計的測量誤差或系統(tǒng)誤差達(dá)到小，為了滿足準(zhǔn)確度，出廠前要進(jìn)行標(biāo) 定，這將產(chǎn)生附加的產(chǎn)品成本。由于管徑、壓力、投資及標(biāo)定系統(tǒng)運行費用等多方面原因和所需考慮的條件，目前世界上很難找到有幾套裝置能標(biāo)定D_N300mm以上的超聲波氣體流量計。這無疑將制約大口徑氣體超聲波流量計的應(yīng)用和中小口徑氣體超聲波流量計的**使用。鑒于這一情況，在選用氣體超聲波流量計時一定要權(quán)衡利弊，特別是要考慮到流量計定期標(biāo)定問題。

"干標(biāo)"與實流標(biāo)定不同，它不是利用標(biāo)準(zhǔn)表或裝置來檢查所用流量計的結(jié)果。為了解決標(biāo)定問題，為流量計**使用鋪平道路，國內(nèi)超聲波流量計制造廠家致力于"干標(biāo)"法的研究。目前，一般產(chǎn)品出廠前無特別要求都是采用"干標(biāo)"法，主要包括：

①流量計幾何尺寸的檢定。為保證流量計的準(zhǔn)確度，聲道長度L和聲道與管軸間夾角是非常重要的參數(shù)，準(zhǔn)確控制測量公差將改善準(zhǔn)確度，這一點在目前條件下是可以采用高性能設(shè)備獲得。準(zhǔn)確的幾何尺寸是提供電子線路組態(tài)的基礎(chǔ)。

②電子線路與傳感器性能測試。一方面是檢測其性能指標(biāo)是否符合設(shè)計規(guī)定要求，更重要是復(fù)核其性能指標(biāo)穩(wěn)定性，即電子部分的穩(wěn)定度是否滿足要求。電子線路和傳感器性能穩(wěn)定度是超聲波流量計實現(xiàn)"干標(biāo)"和傳感器具有良好互換性的關(guān)鍵。這也是目前能否實現(xiàn)"干標(biāo)"的關(guān)鍵。

③零流量檢查。當(dāng)沒有流量時，流量計的示值應(yīng)當(dāng)為零，而且應(yīng)當(dāng)有良好的重復(fù)性。

④聲速/聲程標(biāo)定，當(dāng)氣體的溫度、壓力和氣體組分保持不變時，不管流量多少，聲速將是恒定值。為了獲 得準(zhǔn)確的聲速值，流量計用一種帶恒壓和己知組分的氣體。在目前條件下，一般要按用戶提供組分進(jìn)行這一標(biāo)定是很困難，能辦到費用也很高，況且一般用戶在實際 使用流量計時組分是有變化的。為此，一般采用諸如純N₂氣(99.995%)作為試驗介質(zhì)來進(jìn)行這一工作。研究和試驗介質(zhì)壓力、溫度及組分變化給聲速帶來影響和修正是十分必要的。

從近年的發(fā)展看，氣體超聲波流量計具有從理論上無需進(jìn)行流量標(biāo)定、與檢測介質(zhì)無關(guān)等無可比擬的優(yōu)點， 但是還要實際驗證，現(xiàn)正逐步走向?qū)嵱没?。國?nèi)一些**儀表公司都已批量生產(chǎn)，包括用于主管道的大口徑流量計和家用燃?xì)獗硪呀?jīng)積累了相當(dāng)多的應(yīng)用經(jīng)驗，其價 格將逐步降低，可以預(yù)測它將占有較大的市場。隨著我國天然氣工業(yè)的高速發(fā)展，超聲波流量計在天然氣工業(yè)領(lǐng)域中預(yù)計有巨大的應(yīng)用前景。

超聲流量計的工業(yè)應(yīng)用已有約40年歷史，以前主要是在液體方面的應(yīng)用，由于氣體聲能衰減較大，在氣體 方面的應(yīng)用遇到很大困難。80年代以來，由于高速數(shù)字信號處理技術(shù)和的壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展，使氣體超聲流量計測量天然氣技術(shù)有突破性進(jìn)展，近年來，它 的研發(fā)呈加速發(fā)展之勢。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO發(fā)布ISO/TR 12765《用時間傳播法超聲流量計測量封閉管道內(nèi)的流體流量》，美國1998年頒布了AGA NO.9《用多聲道超聲流量計測量天然氣流量》總結(jié)了階段成果，目前澳大利亞和歐洲各國正在進(jìn)行制定國家標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)備工作。

與孔板、渦輪流量計相比，氣體超聲流量計確實還很年輕，許多實用問題仍在探索中，但是它的潛力，優(yōu)勢卻是明顯的，近年建成的世界大容量的天然氣實流校驗裝置(加拿大TCC裝置)甚至采用它作為輔助標(biāo)準(zhǔn)表。當(dāng)然，它還僅是氣體渦輪流量計的副手。

氣體超聲流量計有以下幾個特點引起人們的重視：

(1)提出解決流體流動特性對流量計特性影響的新方法

推理式流量計的特性受流體流動特性的影響，是現(xiàn)場測量附加誤差增加的一個主要原因，它是此類流量計試 驗研究的主題之一。但是由于現(xiàn)場阻流件類型的復(fù)雜性，流速廓形畸變，旋轉(zhuǎn)流以及脈動流等類型千變?nèi)f化，孔板流量計花了數(shù)十年時間，耗費大量人力、物力進(jìn)行 試驗，其成果仍不能滿足現(xiàn)場的需要，其他類型流量計的研究試驗仍在大力進(jìn)行中。近年出現(xiàn)的多聲道氣體超聲流量計，它利用多聲道構(gòu)建層析網(wǎng)絡(luò)，然后應(yīng)用計算 機技術(shù)進(jìn)行實時補償取得良好效果，這是一種應(yīng)用軟測量技術(shù)解決問題的方法，它與孔板流量計等采用對號入座式對阻流件逐個試驗的方法無疑有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì) 性。

(2)流量計的干標(biāo)技術(shù)

流量計可實施干校(無須實流校驗)是儀表性的標(biāo)志，所有類型流量計都在追求實行干標(biāo)，但是并非全 部流量計皆可實現(xiàn)。干標(biāo)給儀表制造廠和用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益，尤其是用戶可解除其后顧之憂，試想，一臺高壓大口徑流量計需定期實行實流校驗，其麻煩是很 大的。超聲流量計由于其本身工作原理的特點，實行干標(biāo)獨具優(yōu)勢，初步研究表明，氣體超聲流量計實行干標(biāo)是完全可能的，對于時間傳播法，它可由時間和長度二 個參數(shù)進(jìn)行干標(biāo)，求得流量計的儀表系數(shù)。

(3)流量計的計量溯源性

由于流量參數(shù)的動態(tài)性質(zhì)，儀表準(zhǔn)確度存在較大問題之一是計量溯源性。至今國內(nèi)上還沒有公認(rèn)的流量量值 的實物標(biāo)準(zhǔn)，流量量值的統(tǒng)一采用裝置比對實現(xiàn)。流量量值的原級標(biāo)準(zhǔn)是一座流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，在裝置上把各基本量(長度、質(zhì)量、時間及溫度)綜合為導(dǎo)出量——流 量，然后把流量量值傳遞給一臺或一組流量汁，稱為傳遞標(biāo)準(zhǔn)(流量量值的載體)，借助傳遞標(biāo)準(zhǔn)把量值傳遞到工作儀表。由此可見，原級標(biāo)準(zhǔn)是一種固定裝置，其 特點與流量計有較大差別，不僅標(biāo)準(zhǔn)沒有移動性，它亦無法實際反映流量參數(shù)的動態(tài)性質(zhì)。如果能夠在一臺流量計上把基本量綜合為導(dǎo)出量，它將是一臺原級標(biāo)準(zhǔn)。 時間傳播法超聲流量計的流量方程主要由三個基本量組成：時間和長度?，F(xiàn)在國內(nèi)上有些專家已注意到這個特點，認(rèn)為超聲流量計存在成為原級標(biāo)準(zhǔn)的可能，如果這 可能變?yōu)楝F(xiàn)實，則流量測量技術(shù)將產(chǎn)生新型的變化。

主要優(yōu)點：
①無阻礙物，無可動部件，壓損小，無示值凜移現(xiàn)象；
②量程比寬(40：1~200 ：1)；
③不受氣體壓力、溫度或組分變化的影響；
④不受氣體中固體顆粒和液滴的影響；
⑤重復(fù)性好，準(zhǔn)確度高，線性好(采用了分布合理的多反射并將聲程加長的技術(shù))；
⑤有強大的自檢測與自診斷功能(超聲換能器發(fā)射功率自動增益控制，測量有效性及采樣百分比監(jiān)測功能)；
⑦全數(shù)字式計量系統(tǒng)，易于實現(xiàn)數(shù)字通信；
?超聲換能器可正常工作在O.lMPa(表壓)至15MPa(表壓)的壓力范圍內(nèi)；
⑨采用單反射和雙反射與普通傳統(tǒng)聲道的超聲流量計相比聲道長度大了6倍，使測量誤差減少一半以上；
⑩的聲道布置合理，可形成密閉的超聲層析網(wǎng)絡(luò)，相對于管軸線是**軸對稱的，不受安裝方位，速度分布和渦流的影響；
（11）維護(hù)簡單，可帶壓更換超聲換能器；
（12）可精確測量雙向流和脈動流；
氣體超聲流量計的應(yīng)用場合：
①貿(mào)易輸送計量；
②地下儲氣庫(雙向計量)；
③氣體壓縮機控制，氣體處理廠，計量和調(diào)壓站，過程工業(yè)中高價值氣體的計量和火電廠耗氣量計量等一般流量計量或檢測場合；
④作為常規(guī)貿(mào)易計量儀表的檢定標(biāo)準(zhǔn)表。
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