存储式超声流量计误差分析

张亚娟 大庆油田测试技术服务分公司

存储式超声流量计误差分析

张亚娟 大庆油田测试技术服务分公司

对存储式超声流量计由于系统介质、管路内径、模拟井管路长度，管路弯道角度的影响产生的测量误差进行分析研究，以实现提高存储式超声流量计在标检过程中的精度。标检前排空不到位，介质中仍存留气泡，将直接影响超声流量计的测试精度；稳流段的长度不标准，也将影响测试精度；由于水中含有大量的落物，导致超声测试信号的散射，影响测试精度，因此要保证水质，定期清理水箱，避免有大的悬浮物。

超声流量计；时差法；误差；精度

1 工作原理

超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此可以实现流量测量。这种方法也不会造成压力损失，并且可用于大管径、非导电性、抗腐蚀性的液体或气体流量的测量。超声波的发射和接受都要用换能器（传感器），通常把发射和接收传感器做成完全相同的结构，可以互换使用或进行双向收发。超声波流量计的种类很多，基于时差法的超声波流量计结构简单、精度高、稳定性可靠，故选择时差法超声波流量计阐明工作原理。

在流体中发射一定频率的超声波，传播相同距离时，顺流与逆流之间存在相位差，此差值与流体流速成正比，若管径固定，则通过相位差可测出流量，如图1所示。

图1 超声波流量测量工作原理

设超声波在流体中的传播速度为C，流体的流动速度为V，声波发射探头与接收探头之间的距离为L。

顺流时间

逆流时间

时间差

由于流体中声速C≫流体的流动速度V，则式（3）简化为

流体的流速为

由此可见，流体的流速与超声波在流体中传播的顺流和逆流的时间差成正比。所以，流体的流量就可表示为

只要能精确测量出超声波在顺流和逆流传播时产生的时间差，就可计算出相应的流速，进而得到相应的流量。

2 误差来源

（1）介质中杂质的影响。存储式超声流量计是在检定室内的流量模拟系统（简称流标）中标定和检定的。采用的介质是清水，介质需要提前储存到水箱中，以清除介质中的气泡。然后在仪器上、下两端分别接上、下扶正器，使仪器能够稳定地固定在井筒管道的中央位置。但是由于长期多次循环使用，井筒内的介质中会含有大量的油污、泥砂、气泡等杂质。存储式超声流量计的发射传感器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收传感器，由于有杂质和气泡的影响，信号强度不断减小，并且强度也不稳定。这些杂质的存在会对超声波的传播发生散射，影响超声波的直线传播，当传感器表面磨损，以及液体中夹带泥砂、气泡、油污、水生物或碎片堆积而引起信号的过量衰减时（除正常的扩散损失外），也可能产生流速测量误差。而且，声信号可能由于碎片的多路反射而失真。

（2）井筒半径测量误差。检定过程中模拟井井筒的半径测量误差在流量中表现出来，因为半径是圆管积分中的一项。为了最大限度地减小这一误差，应用高精度的测量仪器在若干位置测量其半径，然后将其平均以补偿管的圆度。由于本课题的流量计是工作在模拟井内的，测量模拟井井筒的内径显然是不太现实的，只能根据标准模拟井的内径来计算（标准模拟井的内径通常为52 mm）。

（3）管路的长度。模拟井管路长度的测量误差将在流速中表现出来，因为这两个参数是成正比的。如用钢卷尺、测径仪或毫米尺测量每一声路上两传感器间的距离，这一误差通常可保持在0.1%以下。超声流量计在模拟井中进行检定时，仪器在软链接的作用下被固定在井筒的某一位置，管路的入口长度和出口长度均有严格的规定，入口长度应为管径的5倍，出口长度应为管径的10倍。由于仪器长短不一样，入口长度固定不变，但出口长度会有变化，因此也会给仪器测量带来误差。

（4）管路的角度。管路弯道角度的测量误差将在流速中表现出来，因为流速与声路角的余弦成反比。声路角度的测量误差可直接转换成流速误差，为了将这一误差减小到最低限度，应使用高精度的角度测量仪器，使声路角的测量误差可以很小。

（5）非液体的传播延时。声路上除运动流体之外，其余部分的传播时间会引起流速误差。这包括检测电路延时，与传感器有关的超声波的延时，以及当传感器与运动流体分离时的静态延时，都会产生流速测量误差。检定中用于控制传播时间计数器的晶振抖动和漂移也会产生流速测量误差。

（6）标定系统误差。对于一支量程为150 m3/d的超声流量计，其标称误差是1.5%。如果仪器在检定时的结果超过这个范围，就应该重新标定该仪器。而对于一支合格的仪器，它的精度在1%～2%的概率是最高的。超声波的工作原理是时差法，即时间差（相位差）越小，流量计的流量也越小，反之越小的流量测量误差也就越大，所以设置流量点时最小的点流量应不低于5 m3/d。

3 结论

（1）超声流量计的探头在标检前一定要擦洗干净，否则会影响测试精度。甚至有些污物会直接附着在超声传感器上，使传感器不能发射和接收信号，造成测试失败。

（2）标检前排空不到位，介质中仍存留气泡，将直接影响超声流量计的测试精度。

（3）稳流段的长度不标准，也将影响测试精度。

（4）由于水中含有大量的落物，导致超声测试信号的散射，影响测试精度，因此要保证水质，定期清理水箱，避免有大的悬浮物。

（栏目主持关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.022