夹装式超声波流量计的特性分析
摘 要:从影响超声波流童计精度的主要因素出发,对比了夹装式超声波流 童计相对括入 式的优 势,进一 步阐述 了 宽束夹装式 气体超声波流童计 的特.点,对 气体流童计 的选型、标 定等具有一定实际 意义。
超声波流量计因其在被测管道内无检测件、仪表本身不产生压损和量程比宽精度高等优点，越来越多地被用于管道气体流量的测量，对于能指导工艺操作、监测管道运行情况和进行经济核算天然气长输管道而言，超声波流量计具有突出的性能价格比。
1、基本原理：
应用声波测量流量的方法，主要是利用声波在静止和流动流体中的传播速度不同原理，即对于固定坐标系来说，声波传播速度与流体的流速有关，可以通过声波在流动介质中的传播速度等方法，求出流速和流量。应用超声波进行流量测量，通常是由超声换能器实现发射和接收超声波目的。换能器的安装通常有两种方式，一是斜置在管壁外侧，通过声导、管道壁将声波射人被测流体，即夹装式;也可将管道开孔，换能器紧贴着管道斜置，换能元件通过透声膜将声波直接射人被测流体，即插人式。
2、夹装式的优点：
对于天然气管道计量而言，相对插人式，夹装式超声波流量计有以下优点:
1.不需要切割管道，无压损，不用停输，无泄漏可能;
2.换能器没有象插人式一样，发生磨损和结垢;几乎不用更换，因为是湿接触插人式发生问题后，要停输和排空管道;
3.插人式更换探头时，复杂而危险;
4.几乎不受涡流和横向流的影响，计量精度高。
3、影响计量精度的因素：
3. 1、流态形状：
流态的形状取决于上下游管道的布置，通常流体的子弹头形状(见图1)的尖锐程度和雷诺数有关，雷诺数越低越尖锐，雷诺数越高越平直。这表明在管道截面的不同区域流速是不同的，所以必须能测量理想的平直流态或者修正读数错误。
夹装式流量计对流态形状的修正是利用流态形状与分子间的动量梯度以及到管壁之间的距离有关，简单地在夹装短管式流量计换能器上游安装一个缩径，使分子之间相互拥挤相互分享动量，达到平直流态。在缩径下游2一SD处既形成子弹头流态之前安装换能器，此时流态平直就不需要流态补偿。在流态变平直过程中，雷诺数保持不变，无论被测介质的粘度如何变化都对计量没有影响。在通过换能器后，恢复原来的管径，确保整个短管压损***小，现场安装则要进行流态和雷诺数的补偿。
3. 2、涡流：
插人式是采用对射方式，涡流与管道的轴线不对称，因此涡流有可能与多个弦向声道中的一个重合，这种情况下误差可能会达到40%，所以通常需要整流器来防止涡流;然而现实中并不是总有条件安装整流器。 由于涡流的方向总是与夹装式流量计的径向声道成90“角，所以产生的误差就非常小，如果在测量精度要求很高的情况下，需要消除这个微小的误差，可将换能器安装在缩径后面(如图1所示)，形成足够的混合角度来防止影响。
图2涡流的特性
3. 3、横向流：
横向流是指实际流态流动方向偏离轴向的角度，在直管段不足的情况下会有很大的横向流存在。横向流的影响比流态形状的影响还大。由于插人式流量计安装方法是两个换能器之间直接对射的发射接收方式，所以当管道中存在弯头后，流体的轴线方向和管道的轴线不在同一直线上了(如图1所示)经过计算横向流可造成每度2%一3%的误差，而夹装式的误差只有0. 0076%(根据流量计的标定与声速和流向的夹角的正弦成比例)。
插人式流量计是采用对射的方式，声波是不能返回到发射换能器所在的同一剖面上，对于夹装式，当采用反射安装时，声波被反射后返回到发射换能器所在的同一剖面上，当出现横流时，在声束的前部分产生一个偏角;而在反射的声束上也产生了同样大小而方向相反的偏角;误差大幅降低。所以为了避免这一误差，插人式流量计要在该声道的对面增加一个声道，这样一来大大增加了成本。
图3横向流的特性
3.4、空穴：
ASME(美国机械工程师协会)已证实，由于插人式换能器插人管道中形成的空穴所产生的流态破坏造成的流量标定中的非线性，这一非直线性是由于液体的粘度产生的，不可能被完全补偿。另外空穴容易积累脏物，对气体流量计而言则容易集液，是插人式流量计工作失效的主要原因，对于夹装式而言，没有空穴则没有此类问题。
4、夹装式流量计的发展前沿宽束技术：
宽束技术采用宽频技术，换能器在初始安装时发 出较宽范围的频率对管道壁进行扫描和搜索，当发射 频率同管道固有频率相同时锁定这一频率，使换能器 和管壁二合一，管道变成了换能器的一部分。宽束换 能器总是向管壁发射与管壁固有频率同相位的能量， 即造成振幅的同步增加，产生共振，它所发射的声束更]大面积地覆盖被测介质的横截面，沿着管壁发射的声。波宽而均匀，这样可以用较少的声道便可得到很高的、稳定性和重复性。
宽束换能器的设计与每个管道的导声特性(与管:道的材质和壁厚有关)相匹配的结果是在管壁中产生『一个波谱，该波谱在管壁中正常振动，可以避免模式转‘换的状态发生，该波通过管壁以”宽束”的形式射人流1体中。这样就使得宽束换能器接收到相当大的声能，I无论当流体的任何化学或温度变化而产生的流体中的 声音特性的异常时，精度不受影响。
4. 1、换能器声束宽度对流盈计的影响：
窄束插人式乏换能器所产生的声束只是换能器本身的宽度，对于液三体，声束的传播速度受流速的影响很小，声束的轴向位一移很小。但对于气体流量计来说，在高流量时，声波的1传播速度相对较低;声束被严重吹移，换能器有可能接，收不到信号或只能接收很小量的信号。全宽束夹装式换能器的优点在于换能器发出的声波 是变频的，以匹配不同的管材的声导特性，产生宽束，换能器发射一个声波，在管壁本身横向振动的同时，沿轴向向下方管壁传播。
4. 2、汽泡和湿气对流f的影响：
液体中的气泡和气体中的水分(液滴)将阻挡或散射声波，对于窄束而言，如果声束的宽度小于由气泡或液滴的大小和数量所形成的宽度;接收信号将完全被阻挡，这就是插人式流量计在运行中不稳定的重要因素之一。
图4
虽然气泡或液滴可以挡住一部分声束，但宽束仍然可以有很多声束可以到达接受换能器，因此宽束在高含气量或者气体测量中高含湿量的条件下，仍然可以高效测量。对于一些管道系统含水量较高，或经水试压且试压水不易清除的新投产管道来说，宽束夹装式流量计可以达到较高的测量精度。
4.3、宽束夹装技术：
对噪音的抗干扰性噪音对插人式超声波流量计的干扰很难克服，插人式超声波流量计的只能安装在远离噪音源或者安装复杂的抗干扰管，从而增加了安装的局限性和费用，然而宽束夹装式流量计对噪音有内在的抗干扰性。
假定噪音向各个方向传播，则噪音波的角度可以是相对轴向0一90°的任何角度，同管壁近于垂直的噪音波不会出现，沿着管道传播很远就很快消失，只有同轴向角度较接近的噪音波(0一40°)才会沿着管道随着气体传插较长的距离从而导致对流量计的干扰。实验证明，对于宽束夹装式流量计，在管道里噪声波相对于轴向小于且等于92“时(几乎包括了全部噪音)，就会被管壁反射掉，不会有任何噪音穿过管壁进人换能器。然而插人式换能器就不具有对气体传插的噪音的免疫力，噪音会直接进人插人式换能器从而导致无法测量，但采用宽束技术甚至可以将换能器直接安装在压力控制阀的旁边。
5、结语：
夹装式超声波流量计近年来被广泛地用于天然气管道，而宽束夹装式流量计具有优良的重复性和宽大的采样面积，使大小管径都能获得相同的性能，因其更可靠、维修量更少、安装简单成本更低、流量量程范围更大、可以适用高含气量和高含湿量、受复杂管道的流态影响小等特性，不失为一种优良的计量器具。