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气体超声流量计声道的设计与应用 |
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摘 要： 介绍气体超声流量计的组成、工作原理以及声道设计原理，着重分析和阐述了声道的形式和数量对流量测量精度的影响，以及不同声道组合形式对应用条件的要求，为产业化设计和应用提供了依据。
关键字： 气体超声流量计；声道；设计；应用
1 气体超声流量计的组成和流量计算原理
1.1 气体超声流量计的仪表组成
常规的气体超声流量计一般由表体、转换器、流量计算机（结算仪）三部分组成。维思公司的产品为了满足终端用户单台仪器的独立使用，设计了一种具有流量计算机的计算存储功能的双核转换器，它能独立完成标况流量的计算功能，如图1所示。
图1 维思气体超声流量计的组成
1.2 气体超声流量计的工作原理
在流量计的测量管段上装有一对超声换能器，超声换能器1和2交替发射和接收超声波，采用超声波检测技术，通过测量超声波沿气流顺向和逆向传播的声速差、压力和温度，计算出气体流速及标准状态下气体的流量。
图2 气体超声流量计原理示意图
如图2气体超声流量计原理示意图所示，假设两换能器间的超声传播距离为L，超声传播方向与轴线之间的夹角为θ，超声波在静态气体中的声速为c0，则当管道内气体流速为u时，超声波沿气流顺向传播和逆向传播的速度c1、c2分别为：
速度差：Δc=c1－c2=L/（t1－τ1）－L/（t2－τ2）=2ucosθ
即：
上式即为速差法流量测量的基本原理表达式。式中，t1、t2分别为超声波顺向传播和逆向传播时的声时，τ1、τ2分别为超声波顺向传播和逆向传播时电路、电缆及换能器等产生的声延时。
从上式可以看出，速差法测量具有很大的优越性，测得的流速u与媒质的声速c0（即成分）无关，这对于生产现场实际测量是十分有利的。
由测得的管道中的气体流速，可以得到工况条件下气体的瞬时流量Q：
式中：D为管道直径，A为管道截面积，则转换成标准状态下气体的瞬时流量Q0：
式中：P、T、Z分别为管道中工况条件下气体的压力、温度和压缩因子，P0、T0、Z0分别为标准状态下气体的压力、温度和压缩因子。
流量计在燃气管道应用的过程中，由于管壁与燃气（流体）内部存在摩擦黏滞作用，实际燃气的流速在管道截面上存在流速分布。前面提供的u是管道截面内直径上的线平均速度uL，而测量实际流量需要的是管道内截面的面平均流速uS。
K是修正系数（通过实流标定给出的仪表系数），KC是流场校正因子（该值可以通过理论流场分布的原理计算得到）。
通过对现场连续测量得到的瞬时流量进行累计，即可得到管道内气体的累积流量。
2 声道设计原理
声道是换能器声波所通过的路径，超声波在路径上与被测气体接触，其声速受到流速作用，使其正、反向接收到的时间产生差异，这就是速差法的基本原理。声道使得超声波可在流体中进行采样，因此采样面的多少，取决于声道的长短和分布，同样也决定了流场标定因子的取值。声道的长短是由换能器的信号以及转换器中发射、接收信号的能力和计时精度决定的，它的数量多少和各种组合形式是由仪器所要求的准确度等级、现场管道中的稳流器的位置、前后直管段的长度以及用户对仪器可靠性的要求来决定的。
2.1 各种声道形式的组合对准确度的影响及应用
通常气体超声流量计各种声道形式的组合都是以直通式、一次反射式和双反射式三种单声道的基本形式组合而成的。各种声道组合形式的选择和各种形式的超声波探头入射角度都取决于设计声道总长度以及探头在横截面的分布要求。另一方面也与各个生产商的换能器信号发射和接收能力、转换器的配置能力紧密相联。
2.1.1 声道形式的应用分析
（1）直射式声道
直射式声道形式的声程最短，对换能器的信号强度要求低。声波在测量管壁中没有反射点，换能器只要探头的发射面防腐做的好，不必担心管壁长久使用后的腐蚀或管壁上黏结污垢而影响声程的准确度，因此对转换器中的自诊断功能要求低。同时短截（测量管段）的制作工艺相对简单，制作费用低，一般的机床加上一些工装即可生产。该种声道形式的缺点是声程短，横截面的声道长度和面积之比最小，抗旋涡流和流场分布不均的能力最弱，要求测量系统中前直管段的长度在15D以上，并且还要加装流动稳流器，后直管段至少要5D长。因此对安装场地的长度要求较高，否则对管道中小流量的测量准确度无法保证。实际应用中，如果前后直管段的长度和流动稳流器的安装不能保证时，流量计测量的最大量程比应控制在1∶30以内。图3为直射式单声道形式。
图3 直射式单声道形式
（2）一次反射式声道
在同一口径和同一入射角的前提下，声道长度是直射式的二倍，测量准确度高。但由于其声道在横截面上都过圆心，分布不合理，不能完全反映管道各水平层面的流场分布情况。虽然径向声道长，抗脉动流的能力强，但横截面上与直射式一样轴向速度分布不均或涡流产生时，对测量的准确度会有影响。短截的加工制作可在普通机床上实现，该种声道形式对前后直管段的要求以及量程比介于直射式和双反射式之间。图4为一次反射单声道的形式。
图4 一次反射单声道的常见形式
（3）双反射式声道
双反射式声道的声程最长，准确度等级最高，但换能器的要求也最高，一般经过二次反射后超声信号会有10%的衰减。其和单反射式声道组合后转换器中都有声程检测功能对管壁黏结的污物进行声程修正。现场使用要求气质干净，一般前直管段前装有过滤器。从声道的横截面中可看出，无论是漩涡流还是脉动流都不会干扰它的检测采样能力。比较图5二次反射声道形式和图7（a）四声道直射声道形式可以看出，双反射式两声道布局比直射式四声道布局的抗漩涡流的能力强。 
图5 二次反射单声道形式
双反射式声道形式的短截加工制作工艺要求高，其对换能器安装的角度、位置要求准确度很高，一般的机床配置工装已无法保证加工精度，要保证加工精度只有在四轴联动以上的加工中心上实现，因而制作成本较高。但其对前后直管段的要求不高，不需要装稳流器，前10D后5D的直管段条件下就可以保证很大的量程比。如果加装流动稳流器后，前7D后3D即可满足使用。在工况条件保证的情况下，可以做到±0.5%的准确度等级。
根据工况条件的变化，对声道形式可进行不同的选择，以应付不同工况条件的要求。
2.1.2 声道数量的影响分析
（1）单声道形式
单声道式流量计的设计基于以下假设：对于任何稳定的管内流体，其流速是以管轴为中心对称分布的，实际情况流速很少对称管轴分布，流体经常受到管道特性的影响。其中包括上游管段的安装、温度和压力的变化等都能影响流体流速的分布，因此单声道流量计的测量精度只能做到±（1.5～2.0）%，通常此种形式流量计被用于工业过程控制。
（2）双声道形式
双声道流量计一般有三种形式：直射式、单反射式和双反射式。图6为双声道的三种常见形式，两个声道在横截面上的分布是对称于过圆心的直线。
图6 双声道的三种常见形式
双声道流量计的特点是声道对称，没有声道权重的调配问题。但当一个声道出现故障时，往往对测量精度和量程比产生比较大的影响。一般用于过程控制和城市燃气的贸易计量。结合DN200口径三种不同双声道形式产品的特征，总结性能参数如表1所示。表1 DN200双声道的性能参数
 （3）四声道形式
为了保证实际测量的可靠性，目前国内主要气体超声流量计的用户如中石油、中石化和中海油等，在天然气贸易交接结算时均采用四声道以上的气体超声流量计产品，其声道的形式如图7。四声道流量计在一个声道出现故障时对准确度的影响一般在（0.2～0.3）%。
国外制造商均采用四个直射式的声道形式，如图7（a）；个别厂商则采用了两个单反射式+两个双反射式的四声道组合形式，如图7（c）。
图7 四声道气体超声流量计的三种常见形式
不论声道数的多少，设计人员都要考虑声道的入射角，一般情况下，与轴向的轴线夹角越小则被测的距离越长，抗旋涡流场的能力就越大，精度就越高。缺点是对换能器的信号要求高，抗干扰的能力弱，表体的长度长。声道数的多少和入射角的大小往往取决于制作成本的高低和市场的定位，另一方面也决定了性价比的高低。表2中给出两种不同声道形式的气体超声流量计的性能参数。表2 DN200四声道气体超声流量计的性能参数
 （4）五声道和六声道
目前国外高端产品有五声道和六声道产品，其中四个声道用来测速，另外一至两个声道用来检测管壁的污垢厚度和流场分布并用软件随时进行修正。这类仪表一般当作标准表使用，另一方面由于实验标定装置的准确度，没有那么高的精度来检验，其使用受到限制。图8为五声道气体超声流量计的一种形式。
图8 五声道气体超声流量计
2.2 声道选择应考虑的因素
目前工业产品的气体超声流量计双声道和四声道形式最小口径只做到DN80，主要受限于换能器的安装位置，即在短截上的分布间距，本文不考虑表体机械加工的各种因素，只从声道理论上讨论数量形式对准确度和应用面上的影响。
2.2.1 声道L的长短与测量不确定度的关系
从图2中可以看出：
又有式（1）：
当零流量时，令t1=t2，有：
将t=L/c，L=2D/sinθ代入式中，从而得到：
式中：c为工况下，在被测介质中的声速（m/s）；L为声程（m）；t为声波通过声道的时间（s）；D为管道内径（m）；Δu为零流量时的偏移量（m/s）；Δt为测时误差（s）；θ换能器中心轴与管段中心轴的夹角（°）。
由于式中右项有c、θ、D和t四个因子，实际上Δt的误差是由四个因子的误差组成的。
由上式可见：气流速度的测量误差Δu与测时误差Δt成正比。
当被测气体为天然气时，通常c=400m/s，Δt=10ns，θ=60°时，不同口径流量计的测速误差如表3所示。表3 不同口径流速误差
 从表3分析得出：
（1）测速误差与管径反比，管径越大测速误差越小。
（2）由于L=2D/sinθ，因此同一口径声道入射角越小，声道越长，测速误差越小。
在不考虑管内流场分布和转换器测时程度的前提下，真正决定超声流量计测量准确度等级的并不是它的声道数的多少，而是声道数的总长度，声道数的总长度越长，流量测量的误差越小。
2.2.2 声道数量选择和声道形式配置时应考虑的几个因素
（1）轴向速度分布不对称的检测采样能力；
（2）旋向速度分布不对称的检测采样能力；
（3）涡流强度的检测采样能力；
（4）径向速度分布不均匀（脉动）的检测采样能力；
（5）在相应的声道入射角的情况下，转换器自动增益对不同声道的声程长短差异的调节能力，以及自检测能力和功能；
（6）根据不同声道的组合配置不同的换能器；
（7）要求在同一台表体中配备同一型号规格的换能器，并保证备品备件的更换满足上述要求。
多声道的声道组合形式中直射式都是单一形式的组合。主要原因是由于直射式的声道和反射式的声道长短的差异太大，如果这种直射式声道形式与单反射式或双反射式出现在同一台表体上，势必造成在同一台表体上需要使用不同型号的换能器，以弥补转换器对不同声程进行自动增益调节的能力。实际设计过程中考虑到换能器的规格和转换器自动增益能力的因素，不会将直射式声道与反射式声道混合组合。
3 结论
（1）直射声道是数字式绝对传输时间法的早期应用模型，换能器技术容易实现，应用比较可靠，但对轴向速度分布不对称、二次分析涡流的能力、权重因子固定等问题缺乏简单的解决手段。只有靠增加声道数量和增加整流手段，以及强大的软件予以解决。
（2）反射声道技术的应用，大大提高了测量的声程，而且在轴向速度分布不对称、消除涡流影响、权重因子自动调整等方面进行了改进，提高了仪表的现场使用精度。但对气体介质自身的洁净度要求较高，表体制作成本较高。
（3）四声道反射形式的设计能均匀、平衡分布结构，对现场复杂流态及时检测，消除各种不对称流对计量精度带来的各种影响。前后直管段要求低，但要求气体洁净度要高，表体制作成本较高，在现场工况条件好的情况下，其准确度等级可达到0.2%。
（4）四声道直通式流量计在增加较长的前后直管段和稳流器的前提下，因其测量重复性也能满足现有的贸易计量，并且表体的制作成本较低，对气体清洁度要求低，其信号抗干扰的能力强，是一种可靠性好、实用性强的形式，其准确度等级能满足0.5级的要求。
（5）声道型式和声道数量的选择应根据流量计安装现场条件、工况条件、准确度等级、量程比以及性价比等要求来进行确认。
参考文献：
［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T18604－2001用气体超声流量计测量天然气流量［S］.北京：中国标准出版社，2002.
［2］李忠虎，李希胜.过程参数检测技术及仪表［M］.北京：中国计量出版社，2009.
［3］蔡武昌，孙淮清，纪纲，等.流量测量方法和仪表的选用［M］.北京：化工工业出版社，2001.(end)
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(1/18/2014) |
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