超声波流量计的应用优势及应用关注探讨

邱宣振 陈佳

（1.中石化上海工程有限公司，上海 200120；2.上海科洋科技发展有限公司，上海 200120）

超声波流量计是当今看好的仪表，有些制造厂已将其适应性考虑得很广。由于应用还不是很广，本文从当前自动化的发展趋势，从技术角度提出超声波流量计的优势及高性能予考虑的一些问题，亦希望大家一起参加讨论。

1 超声波流量计的基本原理

人耳能听到的声音频率是20Hz—20kHz，高于20kHz的声波称为超声波。其基本原理是利用超声波测量管道中流体流速，从而计算出流量。其关键是用超声波为什么能测出管道内流体的流速。

超声波测速的测量方法可分为传播速度差法、多普勒法、声束偏移法和相关法等。传播速度差法还可分为时间差法、声循环法和相位差法。常用方法有时间差法、声循环法和多普勒法。

下面以时间差法为例予以原理推导与说明[1]。

图1 时间差法测速原理

如图1所示，时间差法测量随超声波传播速度而变化的逆流和顺流的时间差确定被测流体的流速。时间差Δt与流体流速u成正比。

假设超声波的声速为c，流体流速为u，A和B是超声波换能器，可发送和接收超声波。B向A发送称为顺流发送，其传播时间为t1；A向B发送称为逆流发送，其传播时间为t2，则有：

式中：L — 超声波声程；

u — 流体流速；

c — 超声波在静止流体中的声速；

θ — 管道轴线与声道之间夹角，即声道角。根据上面两式，可解得：

超声波声速c远大于流体流速u，或c>>ucosθ时，上式可简化为：

上式表明，只需要测量顺流和逆流时的超声波传播时间差Δt=t2-t1，就可计算流体的线平均流速u。由于c=L/Tm，其中，Tm是平均传播时间，Tm=(t1+t2)/2。因此，可列出下列近似计算公式：

超声波声程和声道角固定，因此，流体线平均流速u与传播时间差Δt成正比，与传播时间和的平方成反比。该式表明，流体线平均流速u与超声波的声速c无关。

为确定管道截面上流体的面平均流速，可采用加权积分法，比尔盖尔法和二重积分法。

获得流体在管道断面的平均面流速，就可根据管道截面积计算出体积流量。再根据流体密度计算质量流量。

2 超声波流量计的应用特点

近年超声波流量计发展很快，其性能综合了当前仪表、自动化、信息通讯、计算机的各项新技术。以GE公司的产品为代表，其不同型号可应用于各种场合。例如，按液体、蒸汽、气体分不同型号；按温度、压力分类：根据不同管道和不同壁厚分类，如：金属管，塑料管和水泥管等；亦有分为管道的外夹式（不接触管道内物料，无压损）和插入式（亦称湿式）。此外，还有可随身携带的便携式、可测量双向流量等。特别是近年产品，其范围度（Rangealility）扩展很快，从早期的大于20∶1，到现在一般为大于100∶1[2]。在工程应用早期，人们已发现超声波流量计可应用于测火炬气流量，但费用较高[3]，并对一些高温气体测量不能应用。当今，环保仪表是仪表的一个发展重点，因此，人们希望有范围度宽而能测量高温的超声波流量计，当然更希望这类流量计价格降低。

3 超声波流量计的典型应用

超声波流量计可良好应用于多种液体、气体及蒸汽的流量测量，其中一般应用场合及性能可见各厂商样本，下面探讨一些典型应用。

3.1 超声波流量计测气体的典型应用

超声波流量计典型应用的被测气体有天然气、压缩空气、燃料气、腐蚀性气体、有毒性气体、高纯气体、空分气体。超声波流量计测气体是一直在深入探讨的问题[4]，它的典型应用是天然气贸易计量结算。

气体超声波流量计是20世纪90年代中后期被采用的高精度流量测量仪表，具有测量精度高、范围宽、无压损、无可动部件、安装使用费低等特点，受到用户欢迎。至今已有美国、荷兰、英国等12个国家政府机构批准它作为贸易结算的法定计量器具。

由于插入式超声波传感器为直接对射或接收管壁反射组态，信号强，精度大大提高，现在有些厂产品可在线更换，故在气体流量贸易交接领域常使用插入式超声波流量计。其它情况则由用户根据需要决定。

3.2 超声波流量计在液体的典型应用

超声波流量计可应用于多种液体的流量测量，其典型应用有水、原油、炼厂碳氢液体、柴油、燃油、化学原料、饮料等流体的流量测量。

目前，应用较多的是水和废水。因为超声波流量计无压损或低压损，因此，减少管内阻力有助于水的流通，特别是在大管道时由于电磁流量计较贵且很重，故超声波流量计在管径Dg400mm以上的水管道应用较多，更因为超声波流量计应用于废水得到国家环保局的认可，并有专门的应用技术要求[5]，故用户常作为环保产品来应用。在环保规定中要求其流速范围在0.3m/s～10m/s，即流速范围度需要达到33:1，这更有利于检测少量废水的排出。对于有可能出现不满管情况的，应将超声波流量计装在管道低位处。

3.3 超声波流量计在蒸汽的典型应用

由于超声波流量计范围度宽、压损低、低维护、精度较高，特别是当蒸汽流量需要双向测量时，其优点更为明显，Shell煤气化上的应用[6]便是典型的例子。Shell煤气化技术的关键设备汽包分为大室和小室，两室之间上部隔断，下部连通，如图2所示，两室顶端连通并设置一台流量计，该流量计既起到平衡阀的作用，又可以准确测量两室之间蒸汽的体积流量。

图2 气泡大小室结构示意

在蒸汽计量时，由于蒸汽流量变化大，一般范围度都大于3:1，甚至达到10:1及以上，通常，标准孔板流量计只能达到3:1，而GE的GS868蒸汽流量超声波流量计可达到150:1。

蒸汽的输送过程中，由于停止输送，出现返流现象，这时双向计量便是一个需要的条件，用户在选用时可根据工况考虑。

4 超声波流量计的高性能预考虑

为更好地将超声波流量计应用于自动化系统，根据目前自动化系统的迅速发展，提出下列预考虑问题，以便大家能快速了解工程应用上的要求。

4.1 外夹式和插入式的选择与精度有关

外夹式用长箍将超声探头夹装于管道外，这是超声波流量计独特的优点，管道可为金属、塑料或水泥。安装时不需要对管道开孔且无压损，一般精确度为±1% ～ ±3%。插入式流量计需要对管道开孔，但精确度一般为±1%以内。

插入式流量计安装可不断流，可利用专用设备实现将换能器插入管道，因换能器在管道内，因此，信号发射和接收不受管壁和衬里的影响，精度高，选用时要搞清楚各供货厂商的产品形式及精确度，根据应用需要选用。

4.2 直管段的要求与单声道/多声道有关

关于直管段，单声道，多声道要求不一样，单声道要求最长，多声道要求可缩短。直管段的规定要求可参见JJG1030-2007超声流量计[7]，由于工程上布置紧凑，不可能有很大空间保证直管段，故一般应选用多声道超声波流量计。按该标准，不安装流动调整器的情况下，多声道超声流量计上游直管段长度至少为10D（D为流量计内径，下同），下游直管段长度至少为5D；或根据流量计生产厂商要求选择合适的上、下游直管段。

对用于天然气贸易交接的场合，行业内采用要求更高的方案。通常，超声波流量计管路的最低配置主要由上下游直管段、整流盘、超声波流量计等构成。超声波流量计上游直管段由两部分直管段构成，整流盘前引入的最低直管段要求为5D，整流盘和流量计之间的最小直管段要求为10D，流量计下游直管段的最低要求为5D。

4.3 超声流量计的管路上要保证安装调节阀的直管段

流量调节系统中调节阀安装所需直管段是在石化、化工、医药等项目中一个需要特别重视的问题。

由于超声波流量计是根据测量管路中流体的线平均流速，转换成面平均流速，进而转换成体积流量的，因此，流路中对流速分布的干扰直接影响流量测量精确度，至今为止，仍采用增加调节阀与超声流量计之间直管段的办法来稳定检测点的流态，通常，采用将流量调节回路中的调节阀安装在超声波流量计后，并保证流量计前后有10D/10D的直管段。如直管段缩短后，究竟有多大的影响，或可采用什么措施解决问题至今未看到有较权威的资料。因此，设计部门和用户必须要认真考虑。

4.4 安全完整性等级SIL是一个要考虑的指标

最近几年，对于安全仪表系统SIS（Safety Instrument System）的呼声很高，中石化等已有专门的要求，在紧急停车等一些系统中已有很多仪表必须具有SIL等级，才可用于建立安全仪表系统SIS，如差压式仪表已有SIL等级的仪表。如超声波流量计作为一个主要仪表用于SIS系统，亦必须对此有足够的准备，笔者从网上查到的GE等厂家的产品样本中，尚未看到有获得权威机构认证的具有SIL等级的超声波流量计产品。

4.5 提供废气测量的实用产品

现代环境气体排放已成为污染大气的重要问题，因此，设计时对此需要很重视，很多工厂都在研究炉子排放废气的测量，其特点是范围度宽，达到50∶1及以上、允许压损小、流速波动大、有的温度较高，平时无人接近、要求维护工作量小等，超声波流量计应是一个适合的仪表。但至今很多用户表示仪表难选，最后没有安装，这有价格原因，亦有信任度问题。故希望制造厂、供货方及用户能联合创立样板，采用新技术来降低价格，以真正满足工程需要。

4.6 插入式在线更换的安装及更换措施要确切

所谓在线更换，顾名思义即在不停产的情况下，可更换检测元件。要在有温度和压力的情况下，要不接触物料。对插入式检测元件安装时有何要求，更换时有何措施，这些制造厂都要明确说明，因为大部分用户没有用过此种产品，亦没有这方面的标准，用户希望看到这一好措施的确切资料。

4.7 应用服务是保证现代仪表高性能的重要措施

超声波流量计由于外夹于管外及插入法，因为管道内、外径的不均匀（不圆），其测量误差会有多大影响；开车时如何准确安装，例如，对气体，使用软件调零，检测参数的各种通讯、各种接头连接，各种标准应用都要确切，即初始化时要求操作人员水平较高，用户要认真了解，供货方更应有所准备。这个在订合同时用户与供货方要在合同中明确写清楚，应有确切的针对措施。

4.8 现场实际应用总结亦是重要的

超声波流量计由于可不接触物料、压损低、范围度宽，故其选用思路很宽。大家都很注意基本应用条件及实际使用情况[8]。仪表用得好不仅是仪表本身质量要好，而选型正确，现场安装、调试合适亦是一个必要的组成部分。所以现场实际应用总结亦是重要的。

5 结束语

超声波流量计作为一个优良产品应用于工程这已是肯定的，本文主要从技术应用角度予以探讨，为良好地应用于现代自动化系统，特别是工程设计中，对必须兼顾高性能和安全等问题，促使其发挥更强功能。欢迎大家一起探讨。

[1] 周人，何衍庆.流量测量和控制实用手册[M].北京：化学工业出版社，2013，126-127.

[2] GE传感与检测科技.超声波流量计[EB/OL].http://www.gesensing.com.cn.

[3] 邱宣振.工程自动化设计应用手册[M].北京：国际科教文出版社，2004，558-560.

[4] 刘朋，刘少宇.气体超声波流量计量系统的设计[J].石油化工自动化，2011（6）：71-74.

[5] HJ/T366-2007环境保护产品技术要求超声波管道流量计[S].

[6] 付荣申.蒸汽质量超声流量计的应用[J].石油化工自动化，2012（2）：66-68.

[7] JJG1030-2007超声波流量计检定规程[S].

[8] 纪纲，纪波峰.流量测量系统远程诊断集锦[M].北京：化学工业出版社，2012,106-108;159-161.