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摘要：天然气工程中，一般采用时差式超声波流量计。对超声波流量计测量的影响因素主要有噪声、被测量流体的流态以及气体的气质状况。超声波流量计的应用应注意正确选型及合理的安装。
主题词：超声波;天然气;流速
Abstract: In the natural gas project, the general to used the time ultrasonic flowmeter. Noise, the fluid flow pattern and gas the temperament are the impact of factors to measure the ultrasonic flowmeter. Ultrasonic flowmeter should be noted that the correct selection and reasonable installation. Key words: ultrasonic; natural gas; velocity
中图分类号：O657.5文献标识码： A 文章编号：
1引言
超声波流量计用于流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比，超声波流量计的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。
超声波流量计有多种分类方法，根绝测量原理的不同，可以分为多普勒式和时差式。
多普勒式一般用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂志含量稳定的工厂过程液等。它对被测介质要求比较苛刻，即不能是洁净水，同时杂技含量要相对稳定，才可以正常测量，而且不同厂家的仪表性能及对被测厂家的要求也不一样。选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解。一般适用于液体环境。
天然气工程中，一般采用时差式超声波流量计。
时差式超声波流量计的原理
时差式超声波流量计其工作原理如图1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
图1 时差法超声波流量测量原理示意图
图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流时间为td,逆流时间为tu,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：
其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：
式中X是两个换能器在管线方向上的间距。
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：
上式可简化为：
也就是流体的流速为：
由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。
流量Q可以表示为：
气体超声波流量计的测量影响因素
（1）噪声对气体超声波流量计准确度影响。来自被测介质内部的噪声可能会对气体超声波流量计的测量准确度带来不利的影响。噪声的来源主要有环境噪声和气流经过没有全开的阀门时节流的噪声。采用气体超声波流量计上游阀门节流控制流量大小时，节流的声音随着流量的增大而增大，气体超声波流量计与标准孔板流量计的相对误差也逐步增大，气体超声波流量计的流量低于标准孔板流量计流量。当上游阀门全开，用下游阀门控制流量大小的时候，气体超声波流量计的信噪比较大且基本保持不变。
（2）流态对气体超声波流量计的影响。气体超声波流量计上游直管段最少为10D，下游直管段至少为5D，以保证进入流量计的天然气流态是对称的充分发展的紊流速度分布。根据测量管径及精度要求的不同，超声波一般分两声道、四声道、八声道集中模式。一般沿管道横截面由上到下平行分布四个声道：A声道、B声道、C声道、D声道。气体超声波流量计通过对各个声道测得的流速进行加权平均得到管道中气体的平均流速。
当上游阀门节流时，随着流量的增大，天然气在管道中的流速分布越来越不均匀，反应在超声波A、D声道的流速大于B、C通道的流速。随着流量的增大管道内气体的流速由凸形分布逐渐变成凹形分布，即沿管壁的气体流速由低于管道中心气体流速变成高于管道中心气体流速。当上游阀门全开时，没有对气流产生阻挡，随着流量的增大，管道内气体的流速分布变化不大，始终保持正常分布，符合标准规定的流态。当天然气经过没有完全开启的闸阀时，天然气由于阀门闸板的阻挡产生与管道中心轴不对称的旋转气流，经过发展成为漩涡流。
（3）气质对气体超声波流量计的影响。天然气中的凝液和粉尘对气体超声波流量计的工作性能有影响。凝液或粉尘在气体超声波流量计最底部的换能器和表体的结合处堆积，导致气体超声波流量计的工作不正常，影响流量计正常工作。多声道的气体超声波流量计能够在一个声道故障时根据其它声道测得的流量进行自动补偿运算，这个补偿过程使流量计的流量输出比正常时略有偏高。
气体超声波流量计应用中应注意的问题
气体超声波流量计测量天然气流量的实验数据表明气体超声波流量计的确有很多优点，但在使用中应该注意以下问题：
（1）正确选型。任何流量计有它自身的测量范围，气体超声波流量计测量范围很宽，一般说来最小流量和最大流量比为1：30，大口径流量计最大可以做到1：100。气体超声波流量计主要是利用测量天然气的流速来测量天然气的流量。其理想的工作流速范围为（2。7～27）m/s。所以，在进行气体超声波流量计的选型时应该充分考虑天然气在管道中的流速，避免出现超低限或超高限运行的情况。
选用气体超声波流量计作为计量装置时还应考虑是否存在声波干扰源，主要指能产生超声波信号的各种设备，如高速度、大差压的减压设备和消音设备等。安装气体超声波流量计的时候应该避开存在对流量计产生影响的声波的场合，亦可采取相应措施减小或消除噪声。
（2）合理的安装。气体超声波流量计上下游直管段应该满足要求，对于安装条件受测量现场限制的场合应该加装流动调整器。
气体超声波流量计安装方式应该水平安装。此外，在天然气含液较多的场合，气体超声波流量计及其计量管段的安装位置不应低于其上下游管道，使得天然气中凝析出来的液体能够随气流被带走，而不在气体超聲波流量计处堆积，造成计量故障。对于含有大量固体粉尘的天然气应该在气体超声波流量计上游直管段外加装过滤器，否则气体超声波流量计会因为换能器表面沉积物的堆积出现故障。
结束语
气体超声波流量计作为计量性能优异的仪表，使用越来越广泛，而且技术更新很快，只有充分掌握气体超声波流量计的工作原理和性能，才能更好地了解它，使用它，让它更好地服务于天然气计量。
参考文献
[1]廖志敏，熊珊.超声波流量计的研究和应用.管道技术与设备，2004，（4）：12-14
[2]雷艳，范秀华.梯形渠道多声道超声波测流数学模型及计算方法.武汉水利水电大学学报，1997，(1):11-16
[3]杨丰，杨俊清.多普勒法测流技术简介.水文，2004，（2）：58-59
主题词：超声波;天然气;流速
Abstract: In the natural gas project, the general to used the time ultrasonic flowmeter. Noise, the fluid flow pattern and gas the temperament are the impact of factors to measure the ultrasonic flowmeter. Ultrasonic flowmeter should be noted that the correct selection and reasonable installation. Key words: ultrasonic; natural gas; velocity
中图分类号：O657.5文献标识码： A 文章编号：
1引言
超声波流量计用于流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比，超声波流量计的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。
超声波流量计有多种分类方法，根绝测量原理的不同，可以分为多普勒式和时差式。
多普勒式一般用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂志含量稳定的工厂过程液等。它对被测介质要求比较苛刻，即不能是洁净水，同时杂技含量要相对稳定，才可以正常测量，而且不同厂家的仪表性能及对被测厂家的要求也不一样。选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解。一般适用于液体环境。
天然气工程中，一般采用时差式超声波流量计。
时差式超声波流量计的原理
时差式超声波流量计其工作原理如图1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
图1 时差法超声波流量测量原理示意图
图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流时间为td,逆流时间为tu,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：
其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：
式中X是两个换能器在管线方向上的间距。
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：
上式可简化为：
也就是流体的流速为：
由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。
流量Q可以表示为：
气体超声波流量计的测量影响因素
（1）噪声对气体超声波流量计准确度影响。来自被测介质内部的噪声可能会对气体超声波流量计的测量准确度带来不利的影响。噪声的来源主要有环境噪声和气流经过没有全开的阀门时节流的噪声。采用气体超声波流量计上游阀门节流控制流量大小时，节流的声音随着流量的增大而增大，气体超声波流量计与标准孔板流量计的相对误差也逐步增大，气体超声波流量计的流量低于标准孔板流量计流量。当上游阀门全开，用下游阀门控制流量大小的时候，气体超声波流量计的信噪比较大且基本保持不变。
（2）流态对气体超声波流量计的影响。气体超声波流量计上游直管段最少为10D，下游直管段至少为5D，以保证进入流量计的天然气流态是对称的充分发展的紊流速度分布。根据测量管径及精度要求的不同，超声波一般分两声道、四声道、八声道集中模式。一般沿管道横截面由上到下平行分布四个声道：A声道、B声道、C声道、D声道。气体超声波流量计通过对各个声道测得的流速进行加权平均得到管道中气体的平均流速。
当上游阀门节流时，随着流量的增大，天然气在管道中的流速分布越来越不均匀，反应在超声波A、D声道的流速大于B、C通道的流速。随着流量的增大管道内气体的流速由凸形分布逐渐变成凹形分布，即沿管壁的气体流速由低于管道中心气体流速变成高于管道中心气体流速。当上游阀门全开时，没有对气流产生阻挡，随着流量的增大，管道内气体的流速分布变化不大，始终保持正常分布，符合标准规定的流态。当天然气经过没有完全开启的闸阀时，天然气由于阀门闸板的阻挡产生与管道中心轴不对称的旋转气流，经过发展成为漩涡流。
（3）气质对气体超声波流量计的影响。天然气中的凝液和粉尘对气体超声波流量计的工作性能有影响。凝液或粉尘在气体超声波流量计最底部的换能器和表体的结合处堆积，导致气体超声波流量计的工作不正常，影响流量计正常工作。多声道的气体超声波流量计能够在一个声道故障时根据其它声道测得的流量进行自动补偿运算，这个补偿过程使流量计的流量输出比正常时略有偏高。
气体超声波流量计应用中应注意的问题
气体超声波流量计测量天然气流量的实验数据表明气体超声波流量计的确有很多优点，但在使用中应该注意以下问题：
（1）正确选型。任何流量计有它自身的测量范围，气体超声波流量计测量范围很宽，一般说来最小流量和最大流量比为1：30，大口径流量计最大可以做到1：100。气体超声波流量计主要是利用测量天然气的流速来测量天然气的流量。其理想的工作流速范围为（2。7～27）m/s。所以，在进行气体超声波流量计的选型时应该充分考虑天然气在管道中的流速，避免出现超低限或超高限运行的情况。
选用气体超声波流量计作为计量装置时还应考虑是否存在声波干扰源，主要指能产生超声波信号的各种设备，如高速度、大差压的减压设备和消音设备等。安装气体超声波流量计的时候应该避开存在对流量计产生影响的声波的场合，亦可采取相应措施减小或消除噪声。
（2）合理的安装。气体超声波流量计上下游直管段应该满足要求，对于安装条件受测量现场限制的场合应该加装流动调整器。
气体超声波流量计安装方式应该水平安装。此外，在天然气含液较多的场合，气体超声波流量计及其计量管段的安装位置不应低于其上下游管道，使得天然气中凝析出来的液体能够随气流被带走，而不在气体超聲波流量计处堆积，造成计量故障。对于含有大量固体粉尘的天然气应该在气体超声波流量计上游直管段外加装过滤器，否则气体超声波流量计会因为换能器表面沉积物的堆积出现故障。
结束语
气体超声波流量计作为计量性能优异的仪表，使用越来越广泛，而且技术更新很快，只有充分掌握气体超声波流量计的工作原理和性能，才能更好地了解它，使用它，让它更好地服务于天然气计量。
参考文献
[1]廖志敏，熊珊.超声波流量计的研究和应用.管道技术与设备，2004，（4）：12-14
[2]雷艳，范秀华.梯形渠道多声道超声波测流数学模型及计算方法.武汉水利水电大学学报，1997，(1):11-16
[3]杨丰，杨俊清.多普勒法测流技术简介.水文，2004，（2）：58-59