管道流体流量的超声波测量方法研究

文/李 华（安徽省计量科学研究院）

一、引言

在石油、天然气等工业领域,常常使用管道来运输气体或液体物料。如何准确计量管道中传输的气体或液体的体积量，成为一个必须解决的实际问题。尤其是在贸易活动和工艺生产中，计量的准确与否直接关系到贸易结算和工艺控制。

流量计是管道流体计量的常用装置。常见的流量计有多种形式，孔板流量计就是其中一种，其通过测量流体穿过孔板时孔板两侧的压力差，来测量通过管道的流体体积流量。其他类型的流量计还包括超声波和光学流量计，它们分别利用超声波和光束来测量管道中流体的体积流量。其中，超声波多普勒流量计由于其适宜于对两相流（流体中含有固体粒子或气泡等两相介质）的测量，近年来得到日益广泛的应用。

二、超声波多普勒流量测量原理

超声波流体流量测量的原理是通过测量流动流体对超声脉冲的影响，来测量流体的流量和速度，分为多普勒法、时差法、波束偏移法等多种类型。其中，超声波多普勒流量测量利用的是超声波的多普勒效应原理，即若声源和观察者之间存在相对运动，观察者所感受到的声源频率将不同于声源发出的频率，频率变化与两个物体的相对运动速度存在一定关系。在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发生器是产生已知频率超声波信号的固定声源，随流体一起运动的固体粒子或气泡与声源间存在相对运动，承担了“观察者”的角色，“观察者”会把入射到其上的超声波信号传递给接收器，由于上述的相对运动存在，导致发射和接收到的超声波产生了多普勒频移，通过测量发射和接收传感器的超声波频率差就可以得到流体的流量和流速。

如图1 所示，当频率为f1的超声波以速度ν 传播时遇到以速度μ 随着流体一起沿着管道轴线运动的颗粒而被散射，假设管道轴线与超声波波束的夹角为α，该颗粒以μ cosα 的速度远离超声波发生器而去，所以作用在该颗粒上的超声波频率f2由于多普勒效应低于超声波的发射频率f1，f2与f1之间的关系如公式（1）所示：

图1 流体中超声波散射示意图

超声波经由颗粒散射后被接收器接收，由于接收器以速度μ cosα 远离散射颗粒，因而接收器接收的超声波频率f3会降低，类似于公式（1），f3可用公式（2）计算：

将公式（1）代入公式（2），可得：

进而得到接收与发射超声波的频率差，即多普勒频移△f 为：

由此可得到流体的速度μ 和体积流量Q 为：

其中A 为管道的截面积。

三、利用孔板流量计进行超声波测量的方法

孔板流量计已广泛应用于世界各地的各种管道系统中，尤其是在各方进行储存交接或贸易交接的交接点处。为了使用更新的技术（如超声波测量技术）来高精度地测量管道中流体的体积流量，必须要先拆除已安装的孔板流量计，再重新安装新的流量计（如超声波流量计）。然而这一拆除再安装的过程不管是从设备成本还是从人力成本来看都过于昂贵。本文提出了一种改进孔板流量计使其能使用超声波技术进行测量的方法，该方法既能够实现超声波技术测量精度高的优点，又能够避免拆除现有流量计再重新安装新流量计的过程，从而达到节省安装时间和成本的目的。

1.孔板流量计设计结构

图2 为常见孔板流量计的剖面侧视图，其包括：主体12；中心纵向长轴13；与中心纵长轴13 同心对齐，且具有内壁120 的中央孔道14；孔板壳体20；孔板支架21；由孔板支架21 支撑的孔板16；多个小孔18，以及安装于其中的压力传感器17；用于将孔板流量计连接到管道中的凸缘11，凸缘11 使中央孔道与管道的中心孔对齐；孔板上的中心孔口19，中心孔口19 位于中央孔道内，与中心纵长轴同心，其尺寸小于中央孔道的内径；用于限制孔板16 外部边缘液体流动的密封件22。

图2 孔板流量计剖面侧视图

在流量计工作时，流体沿着中央孔道向下流动并在孔板处从孔口通过，由于孔口的尺寸小于中央孔道的内径，根据能量守恒原理，当流体流过孔口时速度增大，并导致通过孔口的流体在孔板的两侧产生压力差，安装在小孔中的压力传感器测得孔板上游和下游的流体压力数据并传送给流量计算系统，流量计算系统根据流体中的压力梯度计算得出流体的体积流量。

2.超声波流量计设计结构

图3 为超声波流量计的剖面侧视图，其主要包括流量计的主体部分302，供被测流体通过的中央孔道304，用于产生和接收超声波信号320 的超声波换能器312 和314。超声信号由超声波换能器312 和314 中的压电元件产生和接收，一般要求信号频率不低于20kHz。为了产生超声信号，换能器中的压电元件被电信号激励产生振动，压电元件振动产生的超声波信号通过被测流体传播到与超声波发射换能器配对安装的接收换能器中，接收器中的压电单元受到超声波信号冲击产生振动并转换成电信号，该电信号被流量计的计算系统采集和分析，最后根据采集到的不同信号利用相应原理计算出流体的体积流量。其中，超声波多普勒流量计就是利用前文介绍的超声波多普勒频移原理计算中央孔道中流动的流体速度和体积流量。

图3 超声波流量计剖面侧视图

3.孔板超声波流量计设计结构

本研究是在保留孔板流量计主体结构不变的情况下，通过加装超声波换能器实现对孔板流量计的“超声化”改造，实现基于超声波信号技术的体积流量测量，提高测量的准确度。

图4 给出了改进后的孔板超声波流量计的剖面侧视图，其主要包括主体12，中心纵向长轴13，一个以轴线13为中心轴、内壁为120 的中央孔道14，而图2 中原有孔板流量计中的孔板16 和压力传感器17 则被拆除，取而代之的是装在小孔18 中的一对超声波换能器105，其他小孔均被堵塞，以确保没有流体从中流出。在图4 所示的结构中，超声波换能器对被放置在流量计主体的相对侧，并且有一个倾斜的端面103，两个相对的超声波换能器的倾斜端面平行相对，两个超声波换能器分别配置成发射和接收从中央孔道中流动的流体散射回来的超声波信号109，并将发射和接收到的超声波信号输入计算系统130，得到超声波的多普勒频移，计算系统根据前文所述的基本原理和公式计算得到管道中流体的流速和体积流量。

图5 给出了改进后的孔板超声波流量计的另一个结构示例的剖面侧视图，和图4 所示示例不同的是，这里超声波换能器对115 被安装在流量计主体同一侧的两个小孔18 中，其余的小孔均被堵塞。发射端发射的超声波信号119 穿过中央孔道14 中流动的流体，并被孔道的内壁120反射，后被接收端接收。超声波发射端和接收端与计算系统131 相连，计算系统通过计算超声波多普勒频移即可得到管道中流体的流速和体积流量。

图4 孔板超声波流量计示例一剖面侧视图

图5 孔板超声波流量计示例二剖面侧视图

四、结语

本文讨论了一种对现有孔板流量计进行改进的方法，使用该方法可以在不拆除原先安装在管道交接点处孔板流量计的同时，利用先进的超声波多普勒测量技术测量管道中流体的体积流量，从而达到既提高测量的准确度，又节省拆除原有流量计和安装新流量计的时间和成本的目的。利用该方法，还可以推广到使用其他不同的技术原理进行测量，例如把超声波发射器和接收器换成光束发生器和光传感器，就可以通过检测发射和散射的光信号来计算得到管道中流动的流体流速和体积流量。