超声波气体流量计检测精度影响因素分
气体超声流量计量影响因素分析及措施
气体超声流量计量影响因素分析及措施作者：沈文奇来源：《环球市场》2019年第07期摘要：现阶段，在我国天然气的应用呈现出比较迅速的发展姿态，在社会生产的各个方面都有应用，超声流量计作为一种计量部件，由于其精度高以及测量范围比较广，可以重复使用等优点，因此成为当前大口径天然气长输管道所应用的流量计，同时有着很好的效果。
但是，在实际的应用中还有很多影响因素，这就需要相关管理部门在实际的应用中定期对其实施检修，将相应的干扰因素排除，这样才能够最大化的确保超声流量计应用的准确性。
关键词：气体超声流量计量;影响因素;措施一、超声流量计的工作计量方法通常，超声流量计其自身的计量方式主要有三种，第一是时差法，该方法是在应用中使用主要在传播过程中发生的速度差所产生的时间差来计算流体速度。
其中，一个超声讯号两个声波的发送器和接收器之间的传输，同时管道相应的补角能奉承，然后潮流中，下游的超声波对其作用速度会变快，生情况但是上流一定的延迟的情况出现，但这种方式采用了内部的流体可以衡量。
第二种是相位差。
当通常出现相位差时，可以使用相位差度量来推测流体的流量。
沿着声波沿着管道轴线的方向，通常受流体因素的影响，所以下游的声波传播会出现偏离。
脱离的声波的方向和流速是可以在正方向的关系上出现的，从而实现对流体的合理的计量。
第三，频率差法。
在超声波的传输中，如果流体产生不均匀的情况，声波会因为这样的情况而散射。
当相对于流体和发射器存在相对运动时，在此发射的信号散射之后接收的信号也可以大量移动，并且这种方式可以实现对流体的合理计数值。
二、气体超声流量计量影响因素（一）管路安装通常，流量计的入口位置的流体速度分布可以存在恒定的奇变度，而流量计的奇怪补偿能力和流量计的测量误差的大小具有非常重要的关系。
因此，气体超声波流量计与应用相邻的管段中的电阻流进行前后的管段的安装和流量计有较大的连接。
（二）噪声干扰计量装置的设计和安装的初期，高速气体在管道系统中整流器、阀门等各种类型的抵抗管引起的噪音干扰，但考虑到现场的劳动状况条件正在发生变化（例如，流量、压力、温度），压缩机补贴电力下的噪点的振动噪声等各种因素的大小难以确定。
影响气体超声波流量计测量精度的影响因素
影响气体超声波流量计测量精度的影响因素现在，用于天然气计量的超声流量计的校准尽可能在流量校准装置上进行。
使用的校准时，可以发挥这一作用，这些参数，超声波流量计，在不同的值的情况下，或校准？本研究的目的是，如果该流体介质的温度变化的气体的超声波流量计，压力，以确定影响。
现在一种装置，可以进行校准天然气流量计，超声波流量计的流量计的校准。
这些器件是几乎所有的，由于使用天然气通过管道流动，在正常情况下，它是可以改变的参数影响声音的速度，温度，压力，气体组成等可能是。
使用的校准时，可以发挥这一作用，这些参数，超声波流量计，在不同的值的情况下，或校准？此外，通过改变温度和流体介质的声音的速度中的变化，如果进一步的实验。
(50℉)21℃高温下使用天然气，21(70℉)，10℃℃标定实验用氮气(70℉)，32℃(90℉)。
相对于平均校准曲线变化的影响，每个系列的校准，校准通过。
流量计校准满足的条件的再现，声速的变化的超声波流量计和所需的装置，在温度和压力的变化，也没有反应。
当用于从天然气中的液体介质的校准，切换成氮气，轻微观察到的变化是由于使用的状态方程，这两个不同的气体。
超声波流量计的校准过程中，测试结果的条件下尽可能集，这些表明可以包括在一个进一步的或不同的条件下的气态介质。
通过测量传播时间的超声波气体流量计，超声波测量天然气的原则，以处理与相关各方。
超声波流量一致的流体是小于在时间的传播方向。
两种状态，用于计算的平均流速的气体流的传播时间差。
，因为它包含的流量计的结构尺寸和传播时间只是物理，此流动方程，这是独立的(SOS)的气体流中的声音速度。
气体流量测量独立的因素会影响声音的速度中的气体的温度，压力，和气体的组合物，如：因此，通过作出的假设，它是可能的。
是值得考虑的一个不同的操作条件下的字段，如果这个假设是不正确的，超声波流量计校准的有效性。
首先，测定声速的气体的超声流量计中，如果有几个次要效果独立，它可能是由于以下原因。
影响气体超声波流量计计量精度的主要因素
影响气体超声波流量计计量精度的主要因素
1、信号因素
气体超声波流量计获得的全部流动信息都是通过超声信号得到的，因此超声波气体超声波流量计设计的关键内容之一，就是处理每一路超声信号，确保信号质量能够满足精确测量传播时间的要求。
另一个关键指标，就是自动增益控制，AGC越小越好，说明超声波气体超声波流量计的使用效果越好。
2、噪声因素
超声波是一种频率高于20kHz的机械波，如果介质中存在噪声，且该噪声大于20kHz的频段，就有可能导致换能器检测单位无法正常分辨工作脉冲信号和噪声，进而影响气体超声波流量计的计量精度。
在天然气企业输配气生产中，噪声的来源主要有压力或流量调节阀、流过管道的高速气流、突出的探头和整流器等。
为了减少噪声，在气体超声波流量计安装时应保证气体超声波流量计上游的最短直管段长度为10D(管道直径)，下游最短直管段长度为5D。
此外，信噪比(S/N)指标也可以用来衡量超声波气体超声波流量计的应用可靠性，信噪比值越大，说明超声波气体超声波流量计的使用效果越好。
3、气质因素
其一，当含有水、固体杂质或其他脏物的天然气流过超声波气体超声波流量计时，会将脏物堆积在气体超声波流量计表体管道内和超声波
换能器探头上，从而影响气体超声波流量计计量的准确性和稳定性。
其二，天然气气质组分变化波动较大，会造成计量数据的波动。
4、气体超声波流量计算机因素
在天然气计量系统中，气体超声波流量计算机接收压力变送器、温度变送器传输过来的模拟信号，经信号转换，按照相关计算方法进行标况体积气体超声波流量计算。
因此，气体超声波流量计算机的信号转换，以及压缩因子的计算方法和计算程序等也影响气体超声波流量计的计量精度。
影响超声波流量计性能的主要因素课件
管道材料和厚度
01
不同材料对声波的传播速度有不同的影响，而管道的厚度则影响声波的传播路径。因此，管道材料和厚度的选择对超声波流量计的测量精度有重要影响。
管道内壁粗糙度
02
管道内壁的粗糙度会影响声波的传播，特别是在管道内壁存在锈蚀或沉积物的情况下。为了获得更准确的测量结果，需要定期对管道内壁进行清理和维护。
03
提高超声波流量计性能的措施
流体特性
流体的物理性质，如密度、粘度、声速等，对超声波流量计的性能有显著影响。选择与流体特性相匹配的超声波流量计能够提高测量精度和稳定性。
总结词
选择合适的流体特性匹配的超声波流量计是提高其性能的重要措施之一。
管道的材质、尺寸、壁厚等特性对超声波流量计的性能也有影响。选择与管道特性相匹配的超声波流量计能够提高信号传输质量和测量可靠性。
02
影响超声波流量计性能的主要因素
流体密度和粘度
超声波流量计的测量精度受流体密度和粘度的影响。密度和粘度较大的流体可能导致声波传播速度变化，从而影响测量结果。
流体中的杂质和气泡
流体中的杂质和气泡会散射声波，影响声波的传播路径和速度，进而影响流量计的测量精度。
流体的温度和压力
流体的温度和压力变化会影响声波的传播速度和流量计的测量精度。因此，在高温或高压环境下使用超声波流量计时，需要特别注意流体的温度和压力对测量结果的影响。
多普勒效应是指当超声波遇到流体中的散射体时，散射体会使超声波的频率发生变化，通过测量这种频率变化可以推算出流体的流速。
传播时间差原理则是通过测量超声波在流体中顺流和逆流传播的时间差来计算流速。
超声波流量计广泛应用于石油、化工、水处理、电力等领域，尤其在管道流体和封闭容器的流量测量方面具有优势。
超声波流量计计量精度影响因素研究
超声波流量计计量精度影响因素研究作者：王雨时来源：《中国化工贸易·下旬刊》2019年第08期摘要：近年来，我国天然气管道建设步伐逐步加快，随着中亚管道、中俄管道、中缅管道、陕京线四线、西气东输三线、新疆煤制气外输管道、鄂安沧天然气管道、LNG接收站及天然气管道互联互通工程的陆续建成投产，“西气东输、南气北上、海气登陆、就地外输”的供气格局已经基本形成。
关键词：超声波流量计；计量精度；控制措施1 影响超声波流量计测量精度的主要影响因素1.1 声道排列方式及修正系数的选择的影响由多声道流量计计算公式就很直观的发现，不同流量计声道排列及修正系数是不一样的，排列方式及修正系数的选择将直接影响超声波流量计的计量精度。
1.2 脏污对超声波流量计影响天然气管道建设、投产初期，由于管道水、焊渣等残留物未吹扫干净，导致水渍及污物粘附在超声波探头及流量计内壁上，影响超声信号的发射与接收。
以RMG流量计为例，当超声接收信号弱时，会实现探头发射信号的自动增益，当增益超过40dB时，计量精度将大大降低。
此外，声音在固体或者液体中的传播速度大于声音在气体中传播的速度，探头脏污导致声波传播的时间缩短，导致变大，导致流量计读数偏大。
此外，当管壁上有污物会导致计算的管壁D会产生影响。
1.3 噪声对超声波流量计影响声学噪声与气流扰动等因素有关，如突出的探头、变径管、整流器及调节阀等。
当声学噪声的频率与流量计的工作频率相近时，两种声波发生共振，从而干扰超声波换能器分辨超声脉冲信号，使得信噪比发生变化，影响计量精度。
此外由于气体中超声能量的衰减与超声频率成正比，为了在接收端保持一定的信噪比（RMG大于15dB），通常的换能器工作频率都在50～200kHz左右，在此频段内，声学噪声是无法回避的问题，在2014年修改的GB/T 18604中明确提出噪声对超声波流量计测量精度的影响，所以生产过程中要时刻关注噪声值对流量计影响。
1.4 其他因素对计量精度的影响1.4.1 流体流速影响首先，流体的流态与雷诺数Re有关。
影响超声波流量计测量准确度的因素探讨
管 道 内 流 体 的 流 速 也 是 影 响 测 量 准 确 度 的 一 个 关 键 因素。供水公司外输 泵房 普遍 存在 夜 间用水低 谷 ， 流 速 过低甚至倒流 （ 正 常 供 水 由于 种 种 原 因 也 会 经 常 出 现 低 流速供水的现象） 。实 验 证 明 ， 一 般 管 路 内 的 雷 诺 系 数 达
科 学 管 理 至 关 重 要 。现 场 安 装 环 境 、 管道 材 质及 内衬材
实际使用的管道 截面 不 完全 是圆形 ， 尤 其 是 大 口径
钢 管 。 用超 声 波 流 量 计 测 量 时 ， 声 束 穿 越 的 方 向 与 测 量 准 确 度 有 关 。 当按 实 际 声 程 输 入 管 径 时 ， 若 管 道 截 面 的
计 算面 积 小 于 实 际 面 积 ， 流量 测量 值偏 小 ， 如 图 Ａ， 反 之 则偏大 ， 如 图 Ｂ。
料、 管道参数输入 、 传 感器 的安 装与 定位 、 外 界 因素影 响 等 都 对 流 量 计 的 测 量 准确 度 有 一 定 的 影 响 。
图Hale Waihona Puke 图Ｂ 若管径输入时 已考虑 管 圆度 因素 ， 使 计算截 面 与实
安装时 ， 一般 要 求 流 量 计 上 游 、 下游分别有管径 ｌ Ｏ倍
和 ５倍 以 上 的直 管 段 ， 以 确 保 被 测 介 质 的 流 态 满 足 仪 表 精度要求 ， 现 场 安 装使 用 时 ， 经 常 不 能找 到 满 足 要 求 的 安 装 位 置 。 以 ＤＮ５ ２ ９钢 管 为例 ， 以上游 １ Ｏ倍 下 游 ５倍 管 径 为标准位置 ， ２合 流 量 计 串 联 安 装 ， １台 便 携 流 量 计 在 不 同位 置 与 １台安 装 在 标 准 位 置 的 同 型 号 固 定 式 超 声 波 流 量 计 作 比对 ， 结果 见下表 １ ：
超声波气体流量计检测精度影响因素分
超声波气体流量计检测精度影响因素分摘要：随着国家煤改气工程的推进，对天然气管道运输及测量技术的要求也越来越高。
超声波流量计因测量稳定、压力损失小以及安装简便等特点使其在石油化工、冶金、电力等工程领域的应用越来越广泛。
在当今多种超声波流量计中，时差法超声波流量计是应用最为广泛的，其检测原理是计算声道传播路径上的平均速度，并通过修正系数补偿的方式来得出管道的截面速度。
然而，超声波流量计的测量精确度会受到诸多因素的影响，如输送流体的性质、管道内流体雷诺数、流量计的安装位置和声道位置等，这些参数的变化都会对超声波流量计测量时间差造成影响。
关键词：超声波；气体流量计；检测精度；影响因素1导言随着天然气运输贸易的发展，天然气需求量将越来越高。
当前运输天然气最常见的方式就是通过管道运输，因此对天然气输送量的精确监测对于预防管道泄漏等安全事故有着重要意义。
而从当前研究文献来看，关于超声波流量计在天然气流量测量中的精度影响因素报道比较少见。
天然气由于密度、黏度均低于空气，因此在相同实验条件下其管道内流体速度分布也会有很大区别。
2检测原理2.1超声波流量计测量原理图1所示为基于时差法的双声道超声波流量计的测量原理。
图1 测量原理原理图通过流量计上、下游探头来测量超声波在气体管道的顺流、逆流响应时间，得出体积流率的计算公式如下：式中，vm———管道截面速度vL———声道上流体平均线速度L———流量计探头之间的声道长度t1和t2———分别表示管道内流体顺流、逆流的传播时间θ———声道与管道轴线的夹角Q———管道内流体的体积流量A———管道的横截面积K———修正系数2.2管道内气体速度分布由于气体的黏度作用，管道截面处流体速度呈梯度分布，管道中心轴线处流速最高，贴近管道壁面处流速为0，当管道内任意位置截面处气体速度分布情况相同，则认为气体流动达到充分发展。
根据雷诺数大小可以将流体流动状态分为2种，即层流状态和湍流状态，如图2所示。
气体超声流量计使用中应考虑的影响因素
气体超声流量计使用中应考虑的影响因素
于被测介质内部由于高速度、大压差等减压设备造成的超高频噪声,尤为敏感,从而影响到该种流量计的正常运行,为了确保超声流量计的正常工作,最为有
效的方法就是远离噪声源或咨询制造厂家。
(6)整流器的作用
一般来说,安装整流器可以在一定程度上改善超声流量计上下游的测量条件,因此也有助于提高测量结果的准确性,尤其是对单声道超声流量计而言,其效
果可能会更为明显。
但是,如果整流器造型不当,加工质量不高,或者安装及使用
维护不妥,又有可能增大测量偏差而造成事与愿违的后果。
因此,在超声流量计
应用现场的设计及安装过程中,必须具体问题具体分析。
也就是说,应当针对所
选流量计的种类、上游流态的畸变形式、严重程度以及对流量测量准确性要求
的高低来决定是否安装那种形式的整流器。
(7)流量计的安装方式
从理论上讲,气体超声流量计可以采用水平、垂直和倾斜等任意安装方式,并且可以沿表体管道边轴线作任意旋转。
但是,在实际的安装过程中应当主要考虑
到以下3 个方面的因素:①流量计(特别是其中的超声换能器)是否便于检测和维修;②超声换能器是否易受气流中杂质和积液的影响;③时至目前,任意安装方式
是否可实现严格意义上的完全等精度测量尚未得到充分的实验验证。
因此, GB/T18604—2001 用气体超声流量计测量天然气流量标准推荐采用水平安装这种常规方式。
3现场使用、维护及管理
(1)关于定期检测
定期检测是提前预防和及时消除仪表故障的有效手段。
如果定期检测的。
超声波流量计影响因素的分析及对策
第7卷第4期2009年12月中 国 工 程 机 械 学 报CH I N ESE JOU RNAL O F CONS TRUCT ION MAC HIN ERY Vol.7No.4 Dec.2009作者简介周爱国(3),男,副教授,工学博士2z @j 超声波流量计影响因素的分析及对策周爱国,阮杰阳,刘 凯,陆敏恂(同济大学机械工程学院,上海 201804)摘要:气体超声波流量计在信号、硬件电路、流场等因素的问题,严重制约了产品的计量精度、稳定性、重复性等基本指标,制约了产品化的发展.分别从上述三方面深入研究了超声波流量计影响因素,并提出一些针对性的解决方法,对今后深入研究超声波流量,提高流量计的适应性和精度具有实际作用.关键词:超声波;气体流量计;影响因素;适应性中图分类号:TN 912 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2009)04-0469-05An al ysis a n d s t r at eg y f o r i mp acts o n ul t r as o nic f l ow met er sZHOU Ai 2g uo ,RUAN J i e 2y a ng ,L IU Kai ,L U Mi n 2x u n(Coll ege of Mechani cal Engi neeri ng ,Tongji Universit y ,S hanghai 201804,Chi na)A b s t r act :The p roduct meas ure ment p recis ion ,s tabili t y and ro bust ness are cri tically co ns t rai ned b y s uch fact ors as sig nal ,hard ware ci rcui t an d flow field on ult ras onic gas flow met ers.T he imp acts an d s olut ions a re sp ec ul at ed bas ed on t he besp o ke fact ors .T herefo re ,t his ap p roach p aves a ven ue for imp rovin g th e adap t a 2bilit y an d p recisio n of flow met e rs.Ke y w or ds :ult ras onic w ave ;gas flow mete r ;impact ;adap tabilit y 超声波气体流量检测技术是近年来流量检测领域的一个亮点,从目前在中、大口径管道气体流量计量中的应用情况来看,超声波流量计在计量精度、可靠性、压力损失、维护费用以及制造成本等方面相比其他计量器具都有自己独到的优势,特别是在天然气输送领域,超声波流量计已有成为最佳选择的趋势[1].气体的超声流量测量存在传播衰减大、信号不稳定、信噪比提高受制约、声透射率不稳定、声学噪声干扰和气体流场不稳定等严重问题,液体超声波流量计中已经成熟的信号处理方式根本不适于气体测量领域.由于以上问题的存在,严重制约了产品的计量精度、稳定性、重复性等基本指标,制约了产品化的发展[2].1 信号因素分析1.1 超声波的衰减特性超声波在非理想的媒介中传播时,会出现声波随着距离增加而逐渐衰减的物理现象,产生了将声波转换为热耗散过程,这就称为媒质中的声衰减,或叫做声吸收.引起媒质对声波吸收的原因很多,主要有粘滞吸收和热传导.根据声吸收的通用公式[3]:α=αχ+αη1+αR (1)式中:α为声衰减系数;αχ为声的热传导系数,αχ=ω22ρ0c3χ1c V -1c p ,ω=2πf ,f 为超声波发射频率,ρ0为传:197-.E mail :houai guo to ng 中 国 工 程 机 械 学 报第7卷 播媒介密度,c 为声波传播速度,χ为热传导系数,c V 为比定容热容,c p 为比定压热容;αη1为声的粘滞吸收系数,αη1=4ω26ρ0c 3η1,η1为切变粘滞系数;αR 为声的容变吸收系数,αR =ω22ρ0c3η2,η2为容变粘滞系数.将αR ,αη1和αχ的表达式代入式(1)可得α=ω22ρ0c343η1+χ1c V -1c p +η2令A η1=8π2η13ρ0c 3,A χ=2π2ρ0c 3χ1c V -1c p ,A R =π2η22ρ0c3,得α=f 2(A η1+A χ+A R )(2) 在常温常压下,空气的容变粘滞系数为:η2=1.7×10-3N s m -2,空气的密度为ρ0=1.21kgm -3,声波在空气中的速度为:c =344m s -1.将η2,ρ0,c 代入A R 计算式可得:A R =1.624×10-10s 2m -1.查表得[4]:在常温常压下,空气的A η1=0.99×10-11s 2m -1,A χ=0.38×10-11s 2m -1.本系统采用f =200kHz.将A η1,A χ,A R ,f 代入式(2)可得:α=7.04.超声波在介质中传播时,由于声波的扩散、散射和吸收,其衰减特性满足下式:P (x )=P 0e -αx (3)式中:P (x )为传输距离x 处的振幅;x 为接收探头到发射探头的距离;P 0为声压初始振幅(x =0).1.2 超声波衰减验证实验从图1可知,本系统采用200kHz 的超声波发生器,信号经过放大和滤波环节后,用示波器观察信号的电压峰值.图1 超声波衰减实验框图Fi g.1 U ltr as onic w a ve w ea ke n e xpe rime nt dia gra m由图2可以看到当探头距离小于30cm 时,理论曲线和实际曲线接近重合,当距离大于30cm 以后,实际信号曲线的斜率比理论斜率小,存在的原因是采集电路上存在固定的周期性的噪声干扰,当探头距离逐渐变大时,接受电路的信噪比降低,如图3为收发探头相距35cm 处信号采样,可见此处的信噪比为10∶1.图2 超声波信号衰减图Fi g.2 U lt ra sonic wa ve si gn al a tte nuat ion c hart 图3 35cm 处实验信号和噪声图Fi g.3 Exper ime nt signal and noise c ha rt in 35cm1.3 超声波探头的选择超声波传感器又称为超声波换能器或超声波探头,在系统中它完成了高频声能与电能之间相互转化.按能量转换原理,超声波换能器可分为磁性换能器和电性换能器.本课题采用的超声波传感器是电性换能器,属于压电式[5].频率选择,首先要考虑在最大传播距离内,接收器能接收到足够声压与强度的超声波信号其次还要考虑超声波振动因机械效应、热效应、化学效应、生物效应等对周围环境的影响从这两个方面来说,由式074.. 第4期周爱国,等:超声波流量计影响因素的分析及对策 (2)可知,超声波的衰减系数与超声波频率的平方成正比,空气中超声波频率越小越好,但是考虑到气体流量检测精度,超声频率越大越好,而太大的超声频率又将造成过大的信号能量衰减.将二者折衷考虑,气体超声波流量计的超声波传感器的振荡频率选择在100～200k Hz 的范围内为最佳.本系统选用200kHz 的收发一体的探头[6].2 硬件因素分析2.1 计时模块因素时差法超声波流量计的计量精度主要在于超声波顺逆流的时间的计时精度,本系统综合得出的气体流速计算式为v =(t 2-t 1)L t -11t -12arccos θ(4)式中:t 1为顺流超声波渡越的时间;t 2为逆流超声波渡越时间;L =20cm ,L 为超声波发射和接收探头之间的渡越距离;θ=30°.根据式(4)计算得出:1μs 的计时差就会产生25cm s -1的速度差,如果采用分辨率更高的专用计数模块可以提高流速测量的分辨率,但是成本也会大幅度地提高.信号检测电路的设计方式也会对测量精度产生巨大的影响,由于超声波声强波形大小会在外界情况的变化下发生变化,采用普通门槛式检测方式会产生Δt 的误差.2.2 计时模块的改进设计采用高速高精度的计数硬件方法,可以提高超声波流量计的精度,本系统采用50M Hz 时钟的FP GA (现场可编程逻辑门阵列)芯片,内部带有锁相环(PLL )电路,可以将系统频率提高到100MHz.既能实现高精度的计数,计时分辨率为10ns ,速度分辨率为2.5m m s -1;同时也能实现系统后续的数据处理和系统控制,从总体上降低系统的设计成本.采用零点检测电路,将信号的计时截至时间定位图4中画圈处,用示波器观察的结果,如图5所示.图4 超声波检波波形图Fig.4 Ult r asonic w a ve detec tion c hart 图5 超声波过零检波波形图Fig.5 Ult r as onic w ave ze r o cr ossing de tection ch ar t观察图5,可见该电路设计能够消除因为信号不稳定而造成的误差Δt ,实现信号的过零检测.3 流场因素3.1 流速因素当流体流速比较小的时候,在工程上可以近似认为超声波射线是沿直线传播的.但是对于高速气体流量而言,这种差别是不能忽视的.假设管道直径为50m m ,声速和管壁的夹角为45°,声速为340m s -1,在流速为15,20,30ms -1时,对应声束偏移为6.24,8.32,12.50m m ,这样大的偏移距离已经和探头的半径相当,收到的信号幅值被严重削弱.如图6所示,当流体速度增加时,超声波的有效接受面积变小了,使接受信号强度变小.3 弯管对流场的影响上述所提及的充分发展的层流和紊流数学模型,实际情况往往不能和理想的数学模型相吻合气体需174.2. 中 国 工 程 机 械 学 报第7卷 经过相当长的直管段才能得到充分发展.全美气体联合会(A GA )发表的标准《A G A -9》建议在流量计的上游保留10倍管径的直管,下游保留5倍管径的直管.但即使如此,由于弯管所造成的流场分布不均匀,有报告指出可以传递到弯管后部22倍管径处[7].弯管引起的二次流动,其产生原因是弯管内外侧曲率不同.当内部流体微团运动时,由于离心力的不同,在管道截面上产生一个力场,从而推动流体微团产生径向运动.流动速度越快,管道弯曲半径越小,在管道内部的二次流强度越大,只有当流体由于内摩擦,并且失去了借以维持二次流的动力来源,其强度才会逐渐衰减.图7为理想的轴对称紊流和非对称紊流的流速分布图.由于流速分布的不对称,不能完全按照原理论数学模型进行流量的计算.实际上流量修正系数需要通过实验进行确定.图6 信号路径受流速影响示意图Fig.6 Signal pat h inf luenced by fl uidvelocity 图7 理想与实际流速分布示意图Fi g.7 I de al a nd r eal veloci ty dist r ibut ion3.3 流场的适应性设计图8 流量测量管道模型Fi g.8 Pipe m odel of fl ow me asu re ment 流量测量管道模型见图8,图中γ为超声波探头连线在管道横截面上的投影与管道横截面y 轴方向的夹角,L 为超声波探头连线中心到弯管出口的距离,D 为管道直径.通过应用流体仿真软件FL U EN T 的仿真结果,可以发现在流场保持不变的情况下,由于弯管的影响导致管道内的流速x 轴方向上的分布和y 轴方向上的分布是完全不一样,而且随着下游距离的变化,各截面流场的分布也是不一样的.在仿真的基础上,针对本管道特征,在理论上采用γ=90°,L =9.2D 和γ=70°,L =8.5D 都能以较小的流量误差来测量流道的真实流量值.实际安装过程中可以根据不同的安全要求选择合适的γ和L 的组合.4 结语通过分析以上各点的影响因素,可见超声波流量计需要在信号处理、硬件改进、提高安装精度、系统流场分析等方面进行更深入的研究,以提高气体超生波流量计的适应性和测量精度.本文主要在一次仪表上进行影响因素的分析,并提出了一些可实现的处理方法,但在实际设计中二次仪表的设计仍然存在很多的不稳定因素,因此还需要进行更多的研究,以提高气体超声波流量计的应用性.参考文献:[1] 杨声将,何敏,任佳.超声波流量计计量系统性能的主要影响因素[J ].天然气工业,2006,26(3):64-69.YAN G Shengjiang ,HE Min ,R EN Jia.Mai n facto rs i mpacti ng perfo rmances of ul t ras o ni cfl ow meter measurem ent system [J ].At ural G as I y ,6,6(3)66[] 李智录,杨震,张东生超声波流量计测流精度的实验研究[]西安理工大学学报,6,()6L I Z ,Y NG Z ,Z N G D T x y f f []f X ’U y f 274ndust r 2002:4-9.2.J .200221:9-72.hil u A hen H A o ngshe ng.he e pe ri me nt st ud o ul t ra so nic lo w met e r p re ci sio n J .J ou rnal o i a n nive rsit o 第4期周爱国,等:超声波流量计影响因素的分析及对策 Technol ogy ,2006,22(1):69-72.[3] 莫尔斯P M ,英格特K U.理论声学[M ].吕如榆,杨训仁,译.北京:科学出版社,1984.MOR SE P M ,IN GARD K U.Theoretical acou sti se[M].L V Ruyu ,YAN G Xunren ,Tras mat ion.Beiji ng :Science Press ,1984.[4] 杜功焕,朱哲民,龚秀芬.超声学基础[M].南京:南京大学出版社,2001.DU Gongh uan ,ZHU Zhemin 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超声波气体流量计检测精度影响因素分析
液％与气（
2018年第9 期
doi ：10.11832/j.issn.1000-4858.2018. 09.014
超声波气体流量计检测精度影响因素分析
邵 欣 ，韩 思 奇 ，擅 盼 龙 ，马 学 彬 ，李梦月
( 天津中德应用技术大学智能制造学院，天 津 300350)
摘 要 ：在天然气的管道运输过程中，提高气体流量测量的精度是提高运输效率、避免安全事故发生的 关键技术。利用流体力学仿真（C F D )方法建立组合双弯管及变径管道模型，定量计算修正系数，对双声道超 声波流量计结构和安装位置对于管道内气体速度场的影响进行研究。通过仿真得出超声波流量计的最优声 道 位 置 ，并 结 合 实 验 验 证 了 仿 真 结 果 的 可 信 性 。模 拟 结 果 表 明 ，双弯管和变径管与超声 波流量计的 安装位 置 至 少 为 10D 才能保证流体充分流动；通过修正系数随雷诺数的变化情况得出双声道超声波流量计的最优声 道位置为距管道截面中心0. 25E 处。研究结论对于不同性质气体的流量检测同样适用，为工业中气体运输 检测精度的提高以及超声波流量计的优化提供了依据。
关键词：天然气；超声波流量计；流体力学仿真;安装位置；声道 中图分类号:T H 138 文献标志码：B 文章编号=1000-4858(2018)09-0080-07
Factors Affecting Detection Accuracy of Ultrasonic Gas Flow Meter
S H A O X i n ，H A N Si-qi，T A N P a n -long，M A Xue-bin，LI Meng-yue
引言 随 着 国 家 煤 改 气 工 程 的 推 进 ，对 天 然 气 管 道 运 输
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超声波气体流量计检测精度影响因素分
摘要：随着国家煤改气工程的推进，对天然气管道运输及测量技术的要求也越
来越高。
超声波流量计因测量稳定、压力损失小以及安装简便等特点使其在石油
化工、冶金、电力等工程领域的应用越来越广泛。
在当今多种超声波流量计中，
时差法超声波流量计是应用最为广泛的，其检测原理是计算声道传播路径上的平
均速度，并通过修正系数补偿的方式来得出管道的截面速度。
然而，超声波流量
计的测量精确度会受到诸多因素的影响，如输送流体的性质、管道内流体雷诺数、流量计的安装位置和声道位置等，这些参数的变化都会对超声波流量计测量时间
差造成影响。
关键词：超声波；气体流量计；检测精度；影响因素
1导言
随着天然气运输贸易的发展，天然气需求量将越来越高。
当前运输天然气最
常见的方式就是通过管道运输，因此对天然气输送量的精确监测对于预防管道泄
漏等安全事故有着重要意义。
而从当前研究文献来看，关于超声波流量计在天然
气流量测量中的精度影响因素报道比较少见。
天然气由于密度、黏度均低于空气，因此在相同实验条件下其管道内流体速度分布也会有很大区别。
2检测原理
2.1超声波流量计测量原理
图1所示为基于时差法的双声道超声波流量计的测量原理。
图1 测量原理原理图
通过流量计上、下游探头来测量超声波在气体管道的顺流、逆流响应时间，
得出体积流率的计算公式如下：
式中，vm———管道截面速度
vL———声道上流体平均线速度
L———流量计探头之间的声道长度
t1和t2———分别表示管道内流体顺流、逆流的传播时间
θ———声道与管道轴线的夹角
Q———管道内流体的体积流量
A———管道的横截面积
K———修正系数
2.2管道内气体速度分布
由于气体的黏度作用，管道截面处流体速度呈梯度分布，管道中心轴线处流
速最高，贴近管道壁面处流速为0，当管道内任意位置截面处气体速度分布情况
相同，则认为气体流动达到充分发展。
根据雷诺数大小可以将流体流动状态分为
2种，即层流状态和湍流状态，如图2所示。
图2 管道内流体速度分布
当雷诺数低于2300时，流体受黏性力影响较大，流体以分层的方式移动；当雷诺数高于2300后流体变成湍流状态，随着雷诺数的提高管道截面处各点速度
分布更加均匀，此时流体的惯性力成为主导。
雷诺数的计算公式如下：式中，d ———管道直径
u ———流体流速
ρ———流体密度
μ———流体黏度
3仿真设置及实验方法
3.1管道模型与网格划分
建立如图 3 所示的组合双弯管和变径管 2 种管道模型示意图，分析涡流及流
速突变等情况对于超声波流量计测量精度的影响。
图3 管道模型示意图
管道装置包含缓冲管道、上游阻流件、双声道超声波流量计、出口管道 4 部分，管道直径 D =40 mm。
设置上游缓冲管道及出口管道长度为 10D 即可满足大
多实际工况下的测量要求，此时可以调整缓冲管道长度来研究超声波流量计的最
佳安装位置。
利用 GAMBIT 软件建立三维管道模型，网格类型以四面体为主，采
用 TGrid 方式进行划分，整体网格尺寸设为 4，对弯管处、管道变径处单独进行局部网格加密处理，局部网格尺寸设置为 2，生成网格总量约为40 万。
3.2边界条件与仿真设置
管道入口处设置为速度入口（Velocity-inlet）、管道出口处设置为自由流出口（Outflow）、其余设置为壁面条件（Wall）。
管道内流动介质为甲烷，密度
0． 78 g/L，流体与壁面接触无滑移。
当管道内雷诺数低于 2300时选择 Lamina 模型，当管道内气体处于湍流状态时选择ＲNG k-ε湍流模型进行求解；流体流动采
用一阶隐式求解方法，压力-速度耦合方式采用 SIMPLE 算法。
选择连续相方程、
动量方程来计算流体的运动行为。
连续性方程：
动量方程：
式中，ρ———流体密度
t ———时间
u ———速度矢量
τ———牛顿黏性应力
f ———流体所受体积力
为全面研究超声波流量计在各种流体流动形态下的测量精度，对操作变量参
数设置如下：
（1）为使流体流动覆盖层流至湍流下多种状态，设置管道入口速度为0．2，0． 5，2，10，20 m/s，此时雷诺数分别为 492，1229，4916，2． 45 ×10 4，4． 91 ×10 4；（2）以 10D 位置处弯管模型、10 m/s 的管道流速为例，分析全缩
探头对于管道流场速度分布的影响；（3）改变下游缓冲管道长度，设定长度在
2D ～20D间，研究流量计不同安装位置下对测量结果的影响，测量点设置在距超
声波流量计入口 4D 处；（4）规定5 种声道位置，其位置描述方式为声道路径到
管道截面中心的距离与管道直径的比值（L/D），如表1 所示。
表1 声道位置
此外，为确保仿真精度，需要进行网格敏感性验证，对比网格总数约为 40 万
和 60 万的模型在不同入口流速下其计算结果的差异，发现模拟结果对于网格密
度变化的敏感性较小，由于篇幅限制分析过程在此不再赘述。
图4 实验测试平台
3.3实验装置与实验方法
实验室综合测试平台如图 4 所示，可以改变管径尺寸、阻流件结构、流量计类型等进行实验研究。
选取部分管段及仪表作为本次实验的检测装置，进气装置提供流量稳定的天然气并将其输送进入管道系统，并通过阀门对进气流量进行调节；检测管段中安装双弯管或变径管作为上游阻流装置，在缓冲管道固定位置处安装双声道超声波气体流量计，通过测量仪表来检测实际气体流量。
实验中，流体流速从 0 ～ 20 m/s 依次递增进行测量，每次测量采集数据 80 组，通过信号处理来计算流量，与标准表进行对比。
4结语
通过 Fluent 仿真的方法对天然气管道运输中造成测量误差的影响因素进行了研究，并结合实验数据验证了仿真方法的可信性。
在分析了超声波流量计探头结构对于流量计测量位置处流场分布的影响以及不同下游缓冲管道长度下流量计的测量稳定性后，对双声道超声波流量计的最优声道位置进行了讨论。
结果表明，流量计全缩结构会使流体产生回流并产生负向速度；超声波流量计据上游管道距离至少为10D 才能保证相对误差变化平缓、管道内流体充分发展；通过对修正系数 K 随雷诺数的变化规律得出最优声道位置为距管道截面中心 0． 25D 处，此时修正系数随管道形状、雷诺数的变化幅度最小。
研究方法及影响因素的变化趋势对于不同物性的气体测量精度的提高同样适用。
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