超声波流量计在城市燃气管网的应用
本文阐述了超声波流量计的原理及特点, 并介绍了超声波流量计的应用及应用进展。超声波流量计与罗茨流量计进行性能对比，介绍了单声道、多声道超声波流量计的不同特点。探讨了超声波流量计计量精度的主要影响因素(气体组成、流场、脏污)及应对措施。
1.引言
随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。数据采集就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别得数字信号，然后再做进一步处理。
20世纪70年代，超声波流量计的使用范围还仅局限于测量液体。随着电子技术和数据处理能力的飞速发展，可以实现各种补偿和运算，可自动修正流场分布变化造成的误差。超声波流量计以其非接触式、测量范围大、无运动部件、精度高等无可比拟的独到优势，逐渐成为流量检测领域的一个新亮点。
对于气体测量，20世纪70年代主要以孔板流量计为主，20世纪80年代出现了涡轮流量计代替孔板流量计的热潮，20世纪90年代罗茨流量计以小流量优势引进到我国被广泛使用。l998年，ISO发布了《用时间传播法超声流量计测量封闭管道内的流体流量》，2001年我国制订了GB/T 18604—2001《用气体超声流量计测量天然气流量》，该标准适用于传播时间差法气体超声波流量计，管道的公称直径等于或大于l00mm，压力不低于0.1MPa。这些标准对促进气体超声波流量计的发展起到了很大作用。
目前，超声波流量计在我国西气东输长输管道及一些大型门站等高压天然气计量系统中已得到广泛使用。虽然在小口径(公称直径小于l00mm)管道计量领域尚未有相应的标准，但随着在全国各地工业用户和区域计量方面的普及和应用，超声波流量计在天然气终端用户的贸易计量方面将发挥越来越大的作用。
2.超声波流量计原理
超声波流量计是通过超声波在流动流体中的传播，承载流体流速信息，将信号进行处理，转换成流量信息。超声波流量计与传统的流量计相比，具有体积小、测量范围大、安装简便、免维护、零压损及始动流量低等优点，是一种理想的流量计。
2.1 工作原理
根据测量原理的不同，气体超声波流量计可分为传播时间差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法4种。其中多普勒法是依据声波中的多普勒效应，其检测量为漂移频率。使用多普勒法的限制条件比较苛刻，只适合于测量含有一定异相的液体。目前普遍采用传播时间差法进行流量测量。
传播时间差法是利用声波在气体中沿顺流传播的时间和沿逆流传播的时间差来进行流速测量。传播时间差法的关键在于能准确测定超声波在两个换能器之间的传播时间。
超声波在气体中沿顺流、逆流传播的时间计算公式分别为：
从式(3)可以看出，气体的流速与声速无关，只与超声波的声程长度、流体流动方向与超声波传播方向的夹角和超声波在气体中传播的时间有关。超声波流量计有很高的计量精度。
2.2单声道、多声道超声波流量计
超声波流量计分为单声道超声波流量计和多声道超声波流量计。单声道超声波流量计是在被测管道上安装一对换能器构成一个超声波通道。其结构简单，使用方便，但对流态分布变化适应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的管道。多声道超声波流量计是在被测管道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道超声波流量计对流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管道。
鉴于超声波流量计价格比较高，以往在选择流量计时，一般原则是管径大于等于100mm时，选择超声波流量计；管径小于100mm时，选择罗茨流量汁。一般的超声波流量计，加装整流器后，前后直管段要求是前3D后2D。日本爱知时计电机株式会社和山东思达特公司联合开发的基于传播时间差法测量原理的AS系列超声波流量计，采用单声道测量技术，加装整流器后，前后直管段要求是前0D后3D。其适用范围大，结构简单，性能稳定，拥有较高性价比。
2.3 超声波流量计的优点
超声波流量计测量范围大、维护工作量小的特点，适合于酒店、宾馆以及用气量波动大的工业用户，可以避免漏计，能够使燃气公司减少输差损失。
AS系列超声波流量计1:400的超大量程比，如果用作居民小区总表，配合目前成熟的物联网数据远传技术，可以实现整个城市输差的实时动态显示，可以实时了解整个城实现整个城市输差的实时动态显示，可以实时了解整个城管理、计量输差查找、管道泄漏安全等方面，可以提供实时的数据支撑，解决了城市管网实时动态输差管理、管道破裂预知等难题。
3.超声波流量计应用工程
3.1 超声波流量计标定
超声波测量是一种通过测定物位来测量容器储量的方法。超声波传感器自上向物料表面发送超声波脉冲，接收从表示反射回来的回波。它测定超声波的传播时间，并推算出与反射表面的距离。传播时间是超声波传感器与物位之间距离的直观量纲。声波的传播距离是传播时间和声速的乘积。如果已知超声波传感器的位置，那么就能换算出物位以及储量。空气中的声速变化范围很大，因此，声波传感器需要进行温度补偿，如果用于空气以外的其他气体，就应该进行相应的标定。
3.2 超声波流量计精度
气体超声波流量计需要面对气体输送过程中的各种干扰，比如压力调节装置带来的气体噪声、介质中的粉尘杂质、管道流场变化等。通过对超声波换能器的合理布置及加装整流器等措施，可以有效避免或减弱上述影响，保证测量精度。
(1)气体组分：声波在不同气体中的传播速度不同，基于传播时间差法测量原理的超声波流量计避开了声速的影响，从而避免了因气体组成不同造成的计量误差。AS系列超声波流量计能提供声波在气体中的声速，可实现在线实时工解超声波流量计的计量精度。
(2)流场状况：超声波流量计对流场状况比较敏感，在良好的流场环境中，单声道流量计可以达到0.5％的计量精度。当管道中产生涡流时，测得的平均流速与实际流速存在一定误差。
(3)安装工程：流量计在安装使用过程中，需要保证流量计与管道的同心度，以及保证相应的前后直管段长度(厂家要求至少保证前10D后5D)，这也是超声波流量计相对于涡轮、罗茨流量计的一个缺点。通过在管段内合理布置声道位置，可以提高流量计对环向流和横向流的适应能力，通过长期的仿真计算和数据分析，证实可以通过在管道中加装 整流器的方式来缩短前后直管段长度。整流器的作用是尽量减少或者消除复杂流动的不利影响，提高计量精度。
(4)环境抵抗：当测量介质中含有粉尘、油雾等脏污并附着在管壁或换能器上时，超声信号是否会受干扰导致计量精度下降，也是衡量超声波流量计性能的指标之一。
超声波具有穿透性，细微的灰尘以及水珠对其没有任何影响。AS系列超声波流量计在超声波换能器设计方面具有独特的一面：首先是半球面式的换能器避免大型颗粒及污物存留，其次是背流向的换能器上设计了一个旋涡发生装置，可以避免污物存留。
同时针对脏污影响进行了大量的性能测试，包括耐潮性测试、耐灰尘性测试、灰尘与水珠同时存在时的测试及耐油污性测试。耐潮性测试、耐灰尘性测试、灰尘与水珠同时存在时的测试及耐油污性测试是分别在超声波流量计内壁喷射一层水珠、灰尘、灰尘与水珠或涂抹一层矿物质油进行测试。结果显示：只要超声波流量计能接收到声波的穿透信号，计量精度均不会发生改变。而对于涡轮、罗茨流量计，虽然在表前安装了过滤器，但细微灰尘还是会存留于叶轮与腰轮之上，计量精度均有所下降，下降1.5％～3.5％。
4.结束语
燃气户用超声波表核心技术仍掌握在日本、欧美等。超声波技术在燃气计量方面的成熟性毋庸置疑，但是，我们也应该看到国内相关的标准有待完善。燃气户用超声波表的标准正在起草中，超声波流量计的相关标准，如GB/T 18603-2001《天然气计量系统技术要求》、GB/T 18604-2001《用气体超声流量计测量天然气流量》关于多声道超声波流量计内容比较详尽，而对单声道超声波流量计仅规定“单声道超声波流量计的测量性能可比多声道超声波流量计的测量性能要求低，具体指标由制造厂提供”。因此现阶段在选用单声道超声波流量计时，建议采用厂家或厂家企业标准比较健全的品牌产品，以弥补目前相关标准不完善的缺憾。对于检定方式，各地计量院主要以JJG l98-1994《速度式流量计》为依据JJG 1030-2007《超声流量计》中的声速对比法检定仍未被普及使用。