超声波流量计范文

引言：寻求写作上的突破？我们特意为您精选了12篇超声波流量计范文，希望这些范文能够成为您写作时的参考，帮助您的文章更加丰富和深入。

篇1

超声波流量计在我国气体计量领域中的应用，始于20世纪末，随着天然气工业的不断发展，已经有越来越多的超声波流量计应用在天然气的计量工作中。超声波流量计在进行气体测量时，能够满足高压、大流量的气体计量要求，并且具有较高的测量精确性。由于气体介质本身的特殊性以及计量现场环境等多种因素的影响，在气体计量中仍然会受到各种因素的影响，使得计量结果的准确性产生一定的误差。因此，对于超声波流量计气体计量误差进行分析是十分必要的。

一、超声波流量计气体测量

超声波流量计进行气体测量的过程，就是通过对超声波沿着气流顺向和逆向传播的生速差、压力和温度等因素的测量，对气体的流速和标准状态下的流量进行测量的过程。常见的气体超声波流量计结构如图1所示。

二、超声波流量计气体计量误差的因素

1.信号因素

利用超声波流量计进行气体计量时，其主要的参数就是气体的传播时间，通过传播时间的获得和计量，才能实现对不同超声波信号的有效处理。因此也可以说，信号的质量是影响超声波流量计气体计量准确性的主要因素。如果超声波的信号质量不高，则对气体传播时间的测量和流量的确定都无法保证其准确性。

2.流场因素

超声波流量计计量过程中，由于管道弯曲所引起的气体二次流动也会对超声波计量的准确性产生影响。当气体流动在弯曲的管道中，二次流动会由于弯管内部和外部的曲率不同而形成不同方向的流动，加之离心力的作用，就会在管道的截面位置形成一个力场，推动管内气体的流动。

3.噪声因素

在超声波流量计气体计量系统中，阀门、整流器等设备都会产生定的噪声，而且在计量现场不断变化的温度和压力条件下，也会对噪声的形成产生一定的影响，而噪声的产生源，主要有流经管道的气流、整流器的运转、调节阀的运转等等，当噪声产生的频率与超声波流量计的工作频率范围一致时，就会对超声波流量计的正常工作产生影响，因为噪声会影响超声波脉冲的探测，进而对测量结果产生影响。另外，有些元件对于噪声较为敏感，当其受到噪声影响时，对元件本身也会产生较大的破坏。

4.脏污堆积

应用超声波流量计进行气体计量时，气体中含有的水分和其他杂质就会在流量计的管道系统内和超声波探头上形成不同程度的堆积，当脏污堆积到一定程度时，就会对计量的结果产生不同的影响。一方面，可能会导致计量表管径的缩小，进而导致计量的数据结果偏高；另一方面，超声波探头上堆积的脏污，对降低探头对超声波测量的敏感性，无法准确的判断气体的压力和流速，在这种情况下就会导致计量的数值偏低。另外，在管壁内侧大量堆积脏污，会导致管壁发生腐蚀现象，而超声波对于管壁内部的堆积物有着不同的敏感程度，这就会影响探头探测的准确性，进而造成计量结果失真。

三、减小超声波流量计气体计量误差的措施

1.加强信号质量的控制

对气体进行计量时，超声波形成的脉冲信号本身就有一定的不稳定性，这与以往的液体超声波流量计有着较大的不同，气体在输送的过程中必须要通过多次的声压和降压过程才能对检测点进行确定。即使是在同一个输送区间，气体的流动也会对超声波产生不同的影响。因此，在实际的工作中，要尽量降低气体流动所带来的压力波动，当气体在不同的压力条件下，要对其密度的变化进行控制，使气体在传播的过程中不会由于受到压力的波动而产生较大的发射和接收声能，避免由于幅值的变化而对信号产生影响。

2.降低噪声的影响

一方面，在应用超声波流量计进行气体计量时，要对计量管路系统进行科学的设计，对管路系统内部各种阻流件所产生噪声进行评估，才能在实际的计量过程中进行有针对性的降低噪声；另一方面，对超声波流量计和调节阀进行串联时，需要在专业的人员或者是生产厂家的指导下完成，必须要对调节阀产生的噪声进行全面评估，才能降低调节阀对流量计计量结果准确性所产生的影响。另外，有些调节阀在压力大、流速高的情况下所产生的噪声会超过超声波频率范围，可能会对流量计的正常工作产生影响，所以也需要加以重视。

3.减少污染物的堆积

首先要加强计量气体质量的监控，使用合理的管段布局，并且定期对管线进行清理。如果在管壁内存在较多的杂质残留，则会对气体的密度产生影响，这时就需要对管壁进行清理，清理之后的管壁直径会增加，所以需要进行重新校准之后才能再次使用。其次，不同的超

声波流量计生产厂家都有针对超声波流量计现场计量性能的测试软件，在实际的计量工作中，要充分重视测试软件的作用，并且根据测试的结果对计量现场可能存在的问题进行判断，从而保证计量的有效性。另外，当气体质量较差时，一般可以采用较大口径的超声波流量计进行测量，能降低测量结果的不稳定性。

结束语：

综上所述，应用超声波流量计进行气体测量时，受到不同因素的影响会使测量结果产生误差，对气体计量的稳定性和精度都会产生一定影响，因此必须要对这些影响因素进行全面的分析，才有利于通过合理的规避措施减少或者避免误差的产生，提高气体计量的精确性。

参考文献：

篇2

【摘要】介绍了超声波流量计的工作原理、结构、选型原则及安装要求。

关键词 超声波流量计；结构；选型；安装

1超声波流量计的工作原理

超声波流量计利用超声波测量流量有许多种方法，其中典型的方法有时差法、声循环法、多普勒法。本文主要介绍时差法超声波流量计的工作原理，超声波在流体中的传播速度受到流体流速的影响，在流体顺流方向和逆流方向是不一样的，其传播时间差和流体的流速成正比。只要测出超声波在这两个方向上传播的时-间差，便可知流体的流速，再乘以管道截面积便可得流体的流量。具体计算公式如下：

超声波在顺流方向传播时间t1为：

由上可知这时只要测得t1和t2，便可求得流体流速，流体流量。

2超声波流量计的结构

超声波流量计主要由换能器和控制器（变送器）两部分构成。换能器有两种，一种是发射换能器，另一种是接收换能器。发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收换能器接收到超声波信号，通过传输线送到控制器（变送器）。控制器（变送器）的作用是将接收到的超声波信号经电子线路放大并转换为与被测流体体积流量成正比的电信号，进行显示和累计计算，还可将信号进行远传进入DCS等控制系统。

3超声波流量计的选型

为确保流量计正常投运，仪表选型至关重要。超声波流量计根据换能器的安装方法不同可分为外夹式超声波流量计、插入式超声波流量计和标准管段式超声波流量计。超声波流量计的选型主要是根据计量要求选择适合的流量计。

（1）外夹式超声波流量计，优点：①外夹式超声波流量计的换能器安装在管道外面，不与被测流体直接接触，不存在换能器腐蚀、粘结等问题；②测量时，在管道内部无任何测量部件，没有压力损失，不改变流体的流动状态；③安装简单方便，管道不用切断，不用开孔，安装时不用停流；④可以便携使用，便于对有怀疑的其他流量计进行比对。不足：①对管道条件要求较高，应确定管道材质、管道外径、壁厚、衬里材质和厚度等；②测量精度相对低一些。

（2）插入式超声波流量计，优点：①安装时不用停流，使用专用安装工具在管道上开孔，换能器直接穿插在孔内；②与外夹式超声波流量计相比，测量精度较高，不受管道锈蚀、结垢等的影响。不足：①换能器直接与被测流体接触，易被腐蚀、结晶造成仪表测量不准确。

（3）标准管段式超声波流量计，把换能器固定安装在按照设计加工好的管段上，并且换能器直接与被测流体接触。这种流量计能够准确控制加工精度，同时可以精确测量管段的几何尺寸，而且两个换能器之间只有单一被测介质，所以测量准确度较高，但是，不足是安装麻烦，需要断流，割开管道安装，而且对于大口径管道定做价格较高，因此除非特殊要求一般不建议选用此种超声波流量计。

综上，超声波流量计在选型时必须综合考虑准确度、安装条件、现场环境等，选择适合的流量计。

4超声波流量计的安装

（1）测量点的选取：①测量点应尽量选择距离上游10倍直径、下游5倍直径以内均匀直管段，以确保流体所需的流速分布；②流量计尽可能水平或垂直安装，管内必须充满流体，当换能器安装在倾斜管道上时，不要装在上部和底部，以免管道内的气体或杂质进入测量声道，应尽可能使换能器处于和水平面成45度角的范围内；③对于外夹式超声波流量计，测量点管道内壁不能有过厚结垢层，尽量选择无结垢的管段且应具有良好的导声性能；

（2）换能器安装方式

①V法安装

适用于管径较小时，采用V法安装扩大了声程长度，增加了顺逆向声波传播时间；

②Z法安装

Z法安装方式一般适用于DN200以上管道，使用Z法安装时超声波在管道中直接传输，没有折射，信号衰耗小。

5超声波流量计的应用

近年来，由于电子技术的进步，超声波流量计发展很快，且日益完善，越来越显示出其优越性。各种超声波流量计已广泛应用于工业生产、商业计量和水利检测等方面，例如，在市政行业的原水、自来水、中水、污水的计量中，超声波流量计具有大量程比，无压损的特点，在保证测量准确度的同时提高了官网的输水效率；在工业冷却循环水的计量中，超声波流量计实现了在线不断流带压安装和在线标定。

6结束语

综上所述，超声波流量计作为流量测量仪表，有其独特的优点，在很多领域得到了越来越广泛的应用，特别是智能化超声波流量计，采用微处理器和程序控制，且带通讯接口、功能更强、编程方便，因而具有更强的生命力。但是不论其如何发展，如果设计选型及安装不当，不仅无法发挥其优越性，还会带来损失。因此，在实际应用中，超声波流量计的正确选型及安装是极为重要的两个环节，必须引起我们的重视。

参考文献

篇3

相对于传统技术技术新型天然气超声波计量技术具有更高的准确度，但是这种计量技术的计量结果也会受到一定因素的影响，为了保证获得准确的计量结果本文将对影响计量结果的因素进行分析，并且探讨实际运用中应当注意的问题。

一、天然气流量计量中气体超声波流量计的应用

天然气流量计量主要是通过多参数测量实现的，并且还需要设置相应的流量比对装置以确保测量的准确性。为了进一步保证实验数据的准确性和有效性，将一套标准孔板流量计与气体超声波流量计进行串联运行。选用的气体超声波流量计为四声道，具有300mm内径，流量范围是240~6405m3/h。

（一）气体超声波流量计准确度与超声的关系

表1阀门1控制流量、阀门2全开时气体超声波流量计的运行气体超声波流量计测量准确度会受到被测介质内部噪声的影响。如果采用气体超声波流量计这种方法来控制流量的大小，那么其节流的声音与流量的增加是成正比的关系，标准孔板流量计与气体超声波流量计之间的相对误差就会加大，这就会发生这两种流量计所计算出来的流量严重不相符。当阀门1全部打开的时候，在阀门2控制流量大小的情况下，气体超声波流量计的信噪会相对比较大，标准孔板流量计和气体超声波流量计之间则会具有相对固定的误差。实验数据如表1和表2。根据表1和表2可知，如果由上游阀门1节流，气体超声波流量计信噪就会比上游阀门全开时低，这是因为当上游阀门在进行节流的过程中，人类无法听到的高频声波和人类可以听到的声音将会同时产生，如果声波频率与气体超声波流量计量的工作频率无限度相似的时候，那么就会造成气体超声波流量计信噪比的减小，这样流量计的测量准确度就会受到影响。

（二）气体超声波流量计与流态的关系

根据GB/T18604-2001《用气体超声博流量计测量天然气流量》中的相关规定，气体超声波流量计的上游直管段至少具有10D、下游直管段至少具有5D，其目的就是确保符合对称紊流速度分布要求的天然气流态可以进入流量计。空间弯头和计量管路中阀门对天然气的速度分布会有直接影响，从而使测量的准确度有所降低。气体超声波流量计的升到分布示意图如图3，四个声道沿管道横截面由上至下分布。管道中气体的平均流速可以通过气体超声波流量计加权平均各个声道测得的流速获得。在阀门1节流、阀门1全开测得的气体流态在管道中分布情况如表3和表4所示。根据图1、表4、表5可知，在阀门1节流的情况下，通过超声波A、D声道流速大于B、C通道流速可知，天然气在管道中的流速分布不均匀程度会随着流量增大而增大。随着流量的增大管道内气体的分布逐渐代替分布，换句话说，管道中心气体的流速小于管道壁的气体流速，当全部打开上游气流的阀门的时候，不会阻挡气流，管道内的气体流速不会随着流量的增加而产生较大的变化。当闸阀没有完全开启的时候，天然气的经过会受到阀门闸板的阻挡，产生不对称的旋转气流，这实际上是漩涡流的发展前兆。

（三）气体超声波流量计与气质的关系

气体超声波流量计在我国发展较晚，所以还没有在真正全面认识其实际工作性能。一般情况下来讲，在进行气体超声波流量计的过程中，对其气质条件并没有严格的要求，工业环境下可以实现气体的大多数清洁均质液体或不含大浓度悬浮粒子的流量测量。在用气体超声波流量计测量天然气的过程中，如果天然气当中含有大量的粉尘、雾状液滴和饱和水蒸气的时候，就应该充分考虑到气质条件可能带来的影响。最初，笔者发现相较于标准孔板流量计这种方法而言，气体超声波流量计的流量测量结果相对偏高。通过对气体超声波流量计进行诊断的过程中发现，处于非工作状态下的D声道很容易被饱和天然气所凝析出来的液体淹没，从而影响了换能器的正常运作。当排除积存在管道内的液体的时候，超声波流量计就可以恢复正常的工作状态。在一个声道发生故障时多声道气体超声波流量计能够实现自动补偿运算，进而造成流量计的流量输出略高于正常情况。能够影响气体超声波流量计工作性能的还包括天然气中的粉尘，例如当上游某个气体处理厂没有正常开机时，分子筛中的粉尘会随着气体超声波流量计的工作流程而带入进来，这样就很容易在底部的换能器处造成粉尘堆积的现象，影响气体超声波流量计的正常运转。

二、应用气体超声波流量计时应当重视的问题

（一）科学选型

一般情况下，型号不同的流量计，其测量的范围也是不同的，实际生产生活中涉及到的超声波流量计的测量范围都较为宽广，最大流量通常是最小流量的三十倍。利用测量天然气的流速确定天然气流量是气体超声流量计的工作原理，2.7~27m/s是其理想的工作范围，气体超声波流量计要想保证检测准确度就应当将工作流速控制在这个范围内。如果天然气流量比气体超声波流量计的流量拐点低时，就会在一定程度上降低气体超声波流量计的准确性，造成增大误差的后果。而在天然气流速过高的情况下，超声波信号无法被换能器检查到，进而造成计量故障问题。因此，进行超声波气体流量计选型时，应当正确掌握管道中天然气的流速，防止超底限或超高限运行情况的产生。选择气体超声波流量计时，还应当对是否存在声波干扰源进行充分考虑，其中主要指的是消音设备、大压差减压设备、高速度等能够产生超声波信号的设备。人们耳朵能够听见的声波通过消音设备能够转化为听不到的声波，一旦气体超声波流量计工作频率接近消音设备的超声波频率或减压设备的超高频噪声，那么超声波流量计就会无法正常工作。所以应当尽量避免在能够产生影响流量计声波场合，安装和选用气体超声波流量计[1]。

（二）严格安装

设置气体超声波流量计上下游直管段的过程中，应当充分执行相应标准，其中上游直管段和下游直管段应当分别大于10D和5D，并且还应当安装流动调整器解决安装条件受测量现场限制的问题。同时安装气体超声流量计时应当保持水平方向，这样就能够有效测量含液较多的天然气，还要严格根据技术要求进行气体超声波流量计和计量管段的安装，以保证气流就能够将天然气凝析出来的液体带走，防止超声波流量计存在液体堆积问题。如果固体粉尘含量较大额天然气，就应当将在上游直管段加设过滤器，避免因换能器表面堆积沉积物而产生故障[2]。

（三）科学维护

在使用气体超声波流量计的过程中，需要进行维护的情况少之又少，但如果计量气体气质较差那么就需要对气体超声波流量计的换能器进行及时清洗，并对换能器表面是否存在水沟和杂质进行检查。同时还应当关注有无泄漏存在于气体超声波流量计的各连接件中，链接线路是否正常以及检测零流量是否准确等等。

（四）定期诊断测试

一旦气体超声波流量计产生流量突变的情况，就应当运用其他与气体超声波流量计串联运行的流量计进行比对校核，确定显示天然气流量变化的真正原因。对于没有其他流量计作比对的情况，就应当通过气体超声波流量计的诊断软件对各个换能器的工作参数进行全面检查，进而了解异常参数值是否存在。对于使用超声波流量计较多的情况，应当将便携外夹式超声波流量计作为首选，这样能够随时校核固定安装的超声波流量计[3]。

结束语：

新型天然气超声波流量计量技术作为一项先进的技术，已经得到人们的广泛认可和运用。但是在实际运用过程中仍然要充分考虑影响计量过程的相关因素，并通过采取相应的措施获得最准确的计量结果。

参考文献：

[1]申思,申云廷.超声波在天然气流量计量中的应用[J].城市燃气,2014,(09):11-15.

篇4

摘要：卤水流量的精确计量是保证卤水生产过程安全经济运行、降低消耗、提高效益、实现科学管理的基础。由于采卤泵站震动较大，且有硫化氢气体腐蚀，很难实现卤水在采输过程的精确计量。本文分析了超声波流量计在卤水采输过程中对流量计量的应用，对降低卤水输送成本具有重要意义。

关键词：卤水采输；超声波流量计；计量

一、引言

卤水学名为盐卤，是由海水或盐湖水制盐后残留于盐池内的母液。卤水流量测量是实现卤水采输过程中封闭管道中的导电性液体和浆液中的体积流量。随着工业生产过程的自动化和智能化的提高以及节能降耗和成本核算管理的要求，流量仪表在整个计量仪表中所占的比重越来越高。传统检测流量计都需要将其传感器安装在管内，并要求配置一段安装管，这不但不便于安装，而且会引起流体的压力损失、泄漏等。本文介绍了超声波流量计的工作原理，并在此基础上分析了其在卤水采输测量中的优点。

二、超声波流量计的工作原理和特点

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法，其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量[1]。

（一）时差法测量原理。

超声在流体中的传波速度受流体流速的影响，超声波在流体中顺流传播时，速度将加快，逆流传播时速度会减小，两个速度的差值越大，表明流体流速越快，反之则慢。时差法测量流体流量的原理如图1所示，在管道的上下游安装两个传感器A和B距离为L，L与水平方向的夹角为 。设静止流体中的声速为 ，流体流动的速度为 ,当超声波传播方向与流体方向一致时。超声波的传播速度为 ；而当超声波传播方向与流体流动方向相反时，超声波的传播速度为 。

图1 时差法测量流体流量原理图

从图1可以看出，探头A向探头B发射超声波信号为顺流方向，其传播时间为： ，反之逆流方向传播的时间为： ，二者时间差为：

（1）

由于静止流体中的声速 远远大于流体流动的速度 ，故 可忽略不计，则有：

（2）

得到的流体流速为： （3）

式（3）中的 、L、 均为常数，所以测得时间差 即可知道流体流量。

（二）多普勒法测量原理。

多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。两个换能器对称地装在待测流体管路两侧，发射换能器发射频率为 的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以 的频率反射到接收换能器，这就是多谱勒效应。 与 之差即为多谱勒频移 。多普勒频移正比于流体中颗粒的运动速度，即流体的运动速度，因而只要平均流速与流通截面积相乘即可得体积流量。若颗粒以与流体相同的速度 运动，静止流体中的超声波声速为 ，声波发射方向、反射方向与流体流动方向的夹角分别为 ，则由于颗粒的漫反射而进入接收换能器的超声频率 可表述为：

（4）

当 远远大于 时，（4）式可化为：

（5）

在 的情况下有：

（6）

则可得到多普勒频移 为：

（7）

三、超声波流量计在采输卤水中应用应注意的事项

（一）测量点的选择。

超声波流量计的安装在所有流量计中是最简单便捷的。采用超声波流量计测量采输卤水流量时，只要选择一个合适的测量点、把测量点处的管道参数输入流量计中，然后把探头安装在卤水采输管道上即可。选择测量点要求一定的直管段，要选择流体流场分布均匀的部分，以保证测量数据准确。一般遵循以下原则：1.要选择充满流体的管段，如管路的垂直部分或充满流体的水平管段。2.测量点要选择距上游10倍管径，下游5倍管径以内的均匀直管段．没有任何阀门等干扰。3.充分考虑管道内壁结垢状况，尽量选择无结垢管段测量，实在不能满足，可把结垢考虑为衬里以求较好的测量精度。4.选择管材均匀致密，易于超声波传输的管段。

（二）探头安装方式。

采用超声波流量计对采输卤水管中的流量进行计量时，合理的探头安装方式对提高流量计量精确度至关重要。超声波流量计一般有两种探头安装方式，即Z法和V法。一般在小管径时 (管径100-300mm)可先选用V法；V法测不到信号 或信号质量差时则选用Z法。管径在300mm以上或测量铸铁管时应优先选用Z法。V法一般情况下是标准的安装方法，使用方便，测量准确。可测管径范围为25mm至大约400mm。安装探头时，注意两探头水平对齐，其中心线与管道轴线水平一线。当管道很粗或由于液体中存在悬浮物、管内壁结垢太厚或衬里太厚，造成V法安装信号弱时，要选用Z法安装[2]。

（三）检查安装。

检查“安装”是指检查超声波流量计探头安装在采输卤水管的位置和方式是否合适，是否能够接受到正确的、足够强的、可以使主机正常工作的超声波信号。安装的好坏直接关系到卤水流量值的准确和机器长时间的可靠运行，主要通过主机检查两个参数：信号强度、信号质量。信号强度是指上下游两个方向上接收信号的强度。信号强度越大，测量值越稳定可信，越能长时间可靠的运行。信号强度与探头的安装位置调整、安装间距、管道情况有关。

（四）超声波流量计在采输卤水应用中常见问题及解决方案。

由于卤水输送过程中卤水中掺杂的介质较多时，这将导致超声波流量计探头使用一段时间后会出现不定期的报警，这种问题在实际运用中会较常见。解决办法：定期清理探头(建议一年清理一次)。其次超声波流量计输送的卤水中含有水等液体杂质，流量计引压管容易产生积液，气温较低时会出现引压管冻堵现象，尤其在北方地区冬季较常见。解决办法：对引压管进行吹扫或加电伴热。

四、结束语

卤水的特性限制着卤水在采输过程的精确计量，超声波测流计以其测量精度高、实时性好，同时适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，超声波测流计在测量采输卤水中的流量应用越来越得到重视。随着国家对卤水需求量的增大和超声波测流技术普及和成本的降低，超声波测流计将很快成为卤水采输过程中主要测流手段而得到广泛的应用。

篇5

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.08.228

0 前言

天然气作为一种优质能源和化工原料其计量越来越被人们重视。由于天然气的可膨胀性、可压缩性等特性，造成天然气要比液体计量困难得多。气体超声流量计没有如节流装置几何形状及尺寸变化影响仪表特性的问题，其声道长度，声道角及管道横截面面积是恒定的参数；也没有引压管线之类易引起故障的部件，能够根据现场条件确定仪表系数并为此长期稳定。天然气流量计量系统，具有高精度、无压损、低能耗、结实耐用、维护少的特点。

1 超声波流量计的结构及原理

1.1 流量计结构

DANIEL3400系列气体超声流量计结构主要分三部分：流量计本体、超声换能器、Mark II 电子数据处理单元。

1.2 四声道超声波流量计工作原理（如图1）

2 超声波流量计的特点及在计量系统中的应用

普光净化厂产品气贸易计量精心选择了各种设备组成计量系统，整体计量精度优于0.70%。计量系统中包括Daniel高级超声波流量计、 Daniel S600流量计算机、在线色谱分析仪。

2.1 daniel 超声波流量计

Daniel 超声波流量计是时间直通式超声波流量计，声波由一个探头发射另一个探头接受，不经管壁反射，声波由上游向下游传输的时间（由于声波被气流推动）小于声波由下游向上游传输的时间（声波被气流方向阻拦），这两个时间之差与气流的速度存在某种对应关系。从上下游测得的传输时间可以计算出气流的平均速度和声波的速度。

2.2 daniel s600 流量计算机

Daniel s600流量计算机适合于石油天然气贸易交接计量和标定的各种应用。可作为多流路计量的一个部分或独立运行。单台流量计算机可以计量多路油气，最多可达到 6 路计量。带有键盘和LCD显示，方便数据记录和显示。有多方向快捷件，可以方便搜寻显示条目。带有4级密码管理，可以分级管理操作人员和信息内容。它可计算瞬间流量和总流量并通过打印口打印报告，打印口可组态。S600系列流量计算机不间断进行诊断自检。一旦发现问题，会触发报警提醒操作员采取措施所有报警信息都会被记录或打印。CPU板带有两个 RS232口和三个 RS422口连接其它设备。通讯口可以用于与上位机系统， SCADA或其它设备通讯。另外带有一个10BaseT（Twisted Pair）以太网界面用于网络连接。S系列流量计算机的组态可以使用标准格式，也可以按照客户要求使用组态软件定制。

2.3 色谱分析仪

色谱分析仪系统由样品预处理系统、色谱分析仪组成。样品由采样点取出，经样品管线传输至样品预处理进行样品处理，经过样品过滤器进入色谱分析仪进行样品分析，分析的结果以Modbus通信送入DCS系统和天然气计量系统。

3 效益及结论

普光净化厂使用气体超声波流量计作为产品气贸易计量流量计大大降低了计量装置故障的发生概率，延长了计量设备的寿命，避免了一些不必要的计量纠纷，提升了企业的声誉，树立了良好的形象。

参照有关计量技术部门的数据，因计量准确度偏离造成的经济损失：以年输气1亿立方米为例：温度偏差1摄氏度---计量0.34%偏差；压力偏差1kPa---计量0.1%偏差；由色谱仪造成的组分计量偏差―0.1%。总误差造成的损失约30～50万立方米气。由此可见，有效地提高计量准确度，确保计量偏差控制在最低水平，对于我们年外输气120亿立方米的企业来说，每年直接或间接的经济效益影响大约3000万元。

气体超声波流量计有非常多的优点，同时也存在着一些局限性。如：对气体流态和管道噪声有要求。在大流量贸易计量中，如何最大的发挥气体超声波流量计的效能，解决和避免影响其测量准确度的因素。为我们在日常使用中带来了新的研究课题，是我们的研究方向。

参考文献：

[1]孙淮清.气体超声流量计与孔板流量计在天然气工业中应用的比较[J].重庆工业自动化仪表研究所，石油工业技术监督，1998，14（06）.

[2]中国石油西南油气田分公司.超声流量计的现场应用与研究技术报告[J].2001（03）.

[3]黄和，文代龙，陈汝培，游明定.浅谈我国天然气计量与国际接轨[J].2001（04）.

篇6

中图分类号：S210.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0398-01

节约资源和环境保护是我国的基本国策，也是我国当前重要的发展战略。能源计量是节能减排的重要基础和保障，是实现节能减排的重要技术措施和基础环节。据统计全国17000家左右的重点用能单位能源消费占了全国能源消费的60%以上。重点用能单位就是年综合能源消费总量一万吨标准煤以上的用能单位以及国务院有关部门或省、自治区、直辖市人民政府、节能管理部门指定的年综合能源消费总量五千吨以上不满一万吨标准煤的用能单位。抓好重点用能单位的节能，是实现“十二五”期间节能减排目标的重要支撑和保证。为此，国家质检总局组织制定了JJF1356-2012重要用能单位能源计量审查规范，对审查内容、审查要求、审查方法及结果做了详细的规定。

根据审查规范第6.1.1.2项规定重点用能单位应再配备必要的便携式能源计量器具，以满足自检自查要求。便携式能源计量器具是指方便拆卸的，在拆卸及测量过程中不影响被测介质正常状态的能源测量仪表，这类仪表多数是通过非接触测量来实现测量目的的。第6.3.3项中第三条规定对无法拆卸的、无检定规程或校准规范的非强制检定计量器具，应采取可行、有效的措施（如：自校、比对、定期更换等）确保其量值准确可靠。结合我厂实际情况我们配备了0.5级便携式超声波流量计。下面我们探讨一下便携式超声波流量计在我厂能源计量方面的应用。

做为一个连续生产的工厂，计量器具的拆除会导致车间停产，所以要进行自校。所谓自校是指用能单位用便携式能源计量表与在线能源计量器具进行比较测量。

一、用便携式超声波流量计进行在线水计量流量计自校方法

在使用现场对流量计测量系统进行校对时一般包括零点校验、常用示值和累积流量校验。通常先进行零点校验，在零点正常情况后，进行其他点的示值校验，如果零点不正常，应查找原因，经处理使之正常后再进行其他点的示值校验。

1、流量计测量系统的零点校验

①保证流过流量计的流体流量确实为零，这是流量计校零的基础，一般现场使用时间长的切断阀关闭后能做到无泄漏者不多，所以校对零点时一定要确认这点，才能避免弄巧成拙。

②在流量计测量管道中必须充满被测的水。不满管会造成流量计示值的错误。

③安装换能器时，管道外表面应去保温层、去漆，锈迹应砂平，涂匀耦合剂，不能有空隙，以免声波在固、气界面上发生折射，无法传到被测流体。

④换能器安装在水平管道上时，为避开管道顶部可能存在的气泡和底部可能沉积的泥沙或其他固形物，应尽可能安装在与水平成45度角的位置。

⑤换能器不能安装在管道焊缝处以及有电磁干扰的地方。

⑥将便携式超声波流量计电源打开，将测量的管道周长、壁厚、测量试管道材质，有无衬里、介质为常温水等参数输入流量变送器中，流量变送器会自动计算出安装距离。

⑦按照计算出的安装距离进行换能器安装，安装好后检查流量计检测信号，信号正常后开始检验。

⑧读取被校验仪表和超声波流量计示值，确定是否为零。

2、流量测量系统的示值流量校验

零点校验后，将阀门打开至常用流量，待流量稳定后，读取被校验仪表和超声波流量计示值，读取5次进行误差计算。

3、流量测量系统的累积流量校验

对于能源计量来说，进行数据采集是定时定点的采集，通过日用或月用量进行考核。这就要求流量测量系统的累积流量值一定要准确可靠。水计量我们采用的多为机械水表和电磁流量计。下面介绍一下校验方法：

①示值校验后，将超声波流量计的累积流量设置显示界面上清零。

②将被检水表或电磁流量计累积表数记下，同时启动超声波累积计量。

③依据水平螺翼式水表检定规程，检定使用中水表，检定用水量不少于水表最小分度值的200倍，计算通水量，计时开始。

④到达时间后，计算被校验表的累积用量和超声波流量计累积用量，计算误差，不合格再做一遍，再不合格，调试或更换。

二、用便携式超声波流量计确定重点用能设备

根据审查规范第6.1.2.1规定，重点用能单位能源计量器具配备应符合GB17167-2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》的要求，具体要求见附录A。其中附录A中A.4.3.4规定单台设备能源消耗量大于或等于表二中一种或多种能源消耗量限定值的为主要用能设备，主要用能设备应按要求加装能源计量器具。根据要求用水量单台设备超过每小时1吨的应加装流量计。如何确定那些设备用水量超过标准呢？我们选择用超声波流量计实测。在设备连续运行时用超声波流量计不定时测试3次确定，不达标的不用安装计量仪表。

据统计凡是配备了便携式节能检测仪表的用能单位，则具有一定的节能检测能力，配置便携式节能检测仪表对于提高用能单位节能检测合格率，不断提高用能单位节能管理水平是十分必要的，有利于降低配表成本，也能够满足能源利用报告制度的要求。所以说配置便携式能源检测仪表是十分必要的，这就要求我们要针对能源计量仪表的综合性、难易拆卸性，引进研制更多更好的便携式仪表以及研究更多的在线检定方法，保证能源计量数据的准确可靠，为节能减排工作提供强有力的支持，以实现节能减排的目标。

参考文献

篇7

引言

超声波用于气体和流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。

多通道（也叫多声道）测量是近年来流量测量的一个研究热点，许多流量计都在原有技术的基础上向多通道测量改进，采用多通道测量有以下两个原因：延长声程和确定截面流速分布。

1、多通道测量超声波流量计测量原理

1.1时差法超声波流量计测量原理

当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速。。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。其原理图如图1所示：

常用单声道的时差法超声波流量计是以超声波的时间差方法为基础。利用超声波脉冲在通过液体顺逆两方向上传播速度之差，来求圆管内液体的流量，其关系表达式如下：

通过时间指标：

与系数Kh相乘，得到体积流量：

1.2以确定截面流速分布为目的的多通道测量

流体的流态可以分为层流和紊流两种，而单声道测量求出的是声路上的平均线速度，为了求出流量，仅知道这个平均速度是不够的，必须知道流速在横截面上的分布曲线，为此可以在管壁上安装多对换能器，每对换能器声束所在平面与管道轴线相互平行，且每对换能器的测量原理和前面所述的单通道基本相同，利用每个声道测得的数据近似求出横截面上的分布曲线，进而求出平均面速度和流量。如图2所示是一个3声道测量的例子：

1.3延长声程和确定流速分布相结合的多通道测量

以2声道测量为例子，其声道从管道截面和侧面上看如图3所示：

图中的4个超声波探头都安装在过轴线的同一个平面上，管道同侧的2个探头一个方向向上一个向下，每一路超声波都是经过管壁的的两次反射回到同侧的探头，这样不仅可以延长声程，而且可以得到两个声道测量的平均值，使测量更准确，为了更精确地确定流速分布，还可以采用4声道5声道等。

目前已经投入应用的多通道超声波流量计中，以确定截面流速分布为目的的多通道测量的通道数量最大可达到9个，再加上精确的数学分析，如插值法等，其测量精度可以达到≤±0.1～0.2% 。

2、超声波流量计安装建议

超声波流量计的一般安装条件应该满足某几个原则，即保证设备的可靠性，精确性，可重复性和长期的稳定性。管线内的气体或固体被限制到最小以避免流量计产生错误。事实上，气泡或者固体颗粒影响超声波在管道中传输，仪表会产生不可靠的数据。由于管线比较长，压力损失几乎不存在，不会产生憋压现象，气相的转换也可以避免。

2.1安装环境的要求

2.1.1环境温度：高寒、高热环境既有可能缩短仪表的使用寿命，更有可能损害仪表的测量性能，因此，任何测量仪表都会对外界环境温度的适应能力做出自身的具体规定。在某些特殊情况下（比如，被测介质与外界环境之间的温差较大并且测试流量较低），为预防外界环境温度对测量结果造成的附加影响，建议对仪表及其上下游的测量管加装遮雨防晒设施或者采取必要的隔热保温措施。

2.1.2振动：超声波流量计虽然在出厂前都经过了严格的机械振动试验，但是作为一种精密的测量仪表，如果长期在靠近振动源或具有振动的环境中使用，其测量性能及寿命都有可能受到严重的影响。因此，唯一的方法就是远离或消除振动。

2.1.3电气噪声：超声波流量计作为一种以微电技术为基础的高精度测量设备，虽然其本身具有一定的抗外界电磁和电子干扰的能力，但是安装现场往往复杂多变，如果不对使用环境中的“电气噪声”提出要求，那么在设计和安装时就有可能由于疏忽将其置于电磁场合电子干扰环境之中，比如变压器或固定的无线通讯场所附近，仪表测量的准确性及工作的可靠性就因此可能受到影响。

2.2安装管段的要求

2.2.1上游收敛； 2.2.2上游单束； 2.2.3上游分散。

2.3安装注意事项

在管道上安装设备时，应核对：

a.流量计上游是否清洁 b.法兰和接口是否一致

c.法兰的紧固是否对上下游的管线产生过多的影响

d.电气连接位置是否妥当 e.防爆保护满足需求

f.如安装在危险区域，电源和仪表电缆应该满足电气规范。

篇8

中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0146-01

超声流量计是通过检测流体流动时对超声束的作用，以测量体积流量的仪表。超声波流量仪的传感器是将传感器直接捆绑在被测管道的外表面，从而实现流量测量的一种安装方式，解决了其它原理的流量仪在安装时必须断管、停产的难题，是超声波流量仪的基本安装方式，具有与管径无关、安装简单、无需停产、无压力损失等特点。超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法，其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点，测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值，从而计算流体流动的速度和流量。

1.超声波流量计优缺点

1.1 超声波流量计优点

（1）节约能源。改仪表可以夹装在测量管道的外表，不接触流体，所以不干扰流场，没有压力损失，因此是一种比较理想的节能仪表。特别是大流量计量时，节能效益更加显著。（2）特别适合大口径的流量测量。其它流量计随着口径的增加，造价更大幅度增加，而超声波流量计的造价基本上与被测管道的口径无关。所以，口径越大，优点越显著。（3）解决流量测量的难题。由于超声波流量计是非接触式仪表，所以，除了用于测量水、石油等一般介质外，还能对强腐蚀介质、非导电介质，易爆和放射性介质进行流量测量，而且不受流体的压力、温度、粘度密度的影响。（4）安装维修方便，无论是安装还是维修，都不需要切断流体，不会影响管道内流体的正常流通。安装时不需要阀门，法兰、旁通管路等，因此，安装方便，费用低。（5）通用性好。其它流量计的仪表结构与管道口径的大小是密切相关的，口径改变时，就需要换用不同尺寸的仪表。对超声波流量计来说，无论是管道尺寸的改变，还是流量测量范围的变化，都有较大的适应能力。

1.2 超声波流量计缺点

超声波流量计是基于集成电路、单片机和自动控制技术的高集成、多功能仪表，先进的控制理论和成熟的电路设计为流量计多种功能的实现奠定了基础，如果要提高流量的测量精度，必须进一步完善测量线路的设计，提高对声速的测量。超声波流量计高度集成的电路设计势必会提高设计制造的成本与难度，而一旦发生故障，维修难度也相应增加。另外，受超声波换能器及传感器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度原始数据不全因素的影响，目前还难以将超声波流量计应用在高温介质的流量测量上。

2.常见故障分析

2.1 瞬时流量异常

瞬时流量异常可能是由于温变压变、通讯电缆、浪涌保护器、流量计算机等故障引起，需要仔细检查确认。通过与其它流量计的温变、压变上传通讯线对换，判断是流量计算机的问题或是现场线路、仪表的问题。以下以A、B超声波流量计举例说明，A正常，B异常。

1）仪表及线路故障判断

把A和B的温变、压变通讯线对换后，B的显示正常，A显示异常，可判断A的温变、压力通讯线路或仪表存在问题。温变和压变都支持HART通讯协议，通过以下方法判断：断开二次仪表的电源，用FLUK供电，并检查二次仪表，如检测不到或数据异常，判断是仪表故障，更换仪表恢复正常生产。

如果能够检测到仪表值并且显示正常，那么恢复向现场仪表的24V供电，逐段检测到流量计算机的通讯电缆如在某段检测不到信号或信号异常，可以判断是该段电缆破损，更换该段电缆恢复正常通讯。如果在经过浪涌保护器后信号异常，可判断是浪涌保护器故障，更换浪涌保护器恢复数据正常传递。

2）流量计算机Hart板故障

把A和B的温变、压变通讯线对换后，A显示正常，B显示异常，说明B的流量计算机故障。检查流量计算机Hart板LED指示灯状态，正常情况下是绿色闪烁，如果显示红色常亮或不亮等其它状态，说明温变和压变对应的Hart板通道损坏。解决办法有两个，一是直接更换Hart板，不用刷新组态；二是更改刷新组态，请技术工程师更改组态，更改温变和压变对应Hart板的通道。一般在夏季雷雨天气下容易出现流量计算机被雷击损坏的情况，特别是Hart板，更容易损坏，需要格外留意。

2.2 无瞬时流量

1）CPU板故障

CPU板LED指示灯不亮或显示红色。检查方法：笔记本电脑首先安装相关组态软件并激活，用网线连接，把笔记本电脑的IP地址更改，建立通讯局域网，下载组态备用。更换使用备用CPU板，把组态刷到备用CPU板中，冷启动，检查指示灯状态。

2）流量计故障

CPU板LED指示灯不亮或显示红色，表示流量计与流量计算机之间的通讯异常，需要检查流量计的超声换能器和信号放大单元。检查方法：笔记本电脑安装相关软件，通过数据线与流量计的端口相连，通过软件检查在带压下四个声道是否有报警，如果是表示所有超声换能信号全部没有上传上来，需要拆卸下表头，紧固信号放大器，如果信号还传递不上去，表示信号放大器损坏，需要更换新的。

如果检查发现声道报警、信噪比异常、声道增益信号异常，可能是声道换能器损坏或信号放大器损坏，可以通过交叉接线的方法判断。超声波流量计的4对声道分别是A、B、C、D，如果C声道正常，D声道异常，把C1与D1、C2与D2分别对换，如果C声道异常，D声道正常，表示超声换能器损坏，可以拆卸、清洗信号放大器，如果仍然异常，则需要更换同型号的超声换能器；如果C声道正常，D声道异常，表示信号放大器损坏，需要更换同型号的信号放大器。

3.结论与认识

流量仪表大都需要适合的测量介质和工况条件为依托方可发挥正确作用，只有优势而没有缺点的流量仪表现今是不存在的，合理的选择仪表对于现场工程师和管理者是至关重要的。在工业装置中要正确和有效地选择，使用流量测量方法和仪表，必须熟悉流量仪表和生产过程流体特性这两方面的技术，同时还应考虑经济因素。

基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其测量准确的优点，也使其成为化工行业测量流速的首选工具。由于超声波流量计具有抗干扰能力强、测量精度高、无压损、量程比宽、维护量小等特点，近几年，得到了大力的应用。在实际生产中，超声波流量计会出现各种各样的问题，需要我们做到以下几个方面：一是结合实际情况，建立合理的维护保养制度，半年对超声换能器进行检查，半年使用软件检查；二是储备适量的备件和组态，在出现问题时能够及时更换更新；三是技术人员需要不断加强学习，提高自身的技能水平和解决问题的能力。只有这样，才能最大限度的减少因超声波流量计故障造成的影响，降低企业运营成本。

篇9

中图分类号：TP274 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2009)04-053-03

Time Difference Ultrasonic Flowmeter and Its Simple Arithmetic

SU Manhong,WU Zhimin,YE Weiyuan

(Shenzhen Polytechnic College,Shenzhen,518055,China)

Abstract：Aiming at the high precision time measurement and large amount computing of time difference ultrasonic flowmeter,an ultrasonic flowmeter system based on FPGA,DSP and MCU is designed.The hardware controlled by the FPGA to ensure accurate timing.The auto delay-window of signal receive technique is adopted,by extracting useful measurement signal,the needed data is reduced and anti-jamming capabilit is enhanced,and the measuring speed has been greatly accelerated by simplified algorithms.It is proved by simulator with Matlab and experiment that the system is feasible.

Keywords：time difference ultrasonic flowmeter;delay window;arithmetic simplify;anti-jamming capability

流体流量计的用途十分广泛,在工业上,如石油、化工、水电等部门,流量计已经成为对液体流量检测必不可少的设备。超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的测量技术，作为一种新型的非接触式流量计，它具有安装简单、使用方便、测量范围宽等特点，时差法超声波流量计测量流量是目前广泛应用的一种方法。近几年来，随着FPGA和DSP的发展和广泛应用，数字信号处理技术的改进使产品的测量精度得到了不断提高。

时差式超声波流量计需要采用两个超声波探头来进行信号的发送和接收，通过测量超声波自传感器沿顺、逆流方向传播时的时间差计算流体流动速度［1］，由于该时间差很小，往往达到纳秒量级甚至更低，测量超声波传播时间的精度是流量计测量精度的关键，也是设计人员重点研究的问题［2］。针对上面的要求，在此设计了一种基于FPGA和DSP的高精度超声波流量计系统，利用FPGA和DSP分别实现精确的时序控制和快速的数字信号处理［3，4］，从而提高系统的响应速度、准确度和稳定性。为提高测量精度，该系统在信号处理上主要采用插值和相关法，由于检测和处理超声波信号的运算量大，对系统硬件要求很高，该系统结合滑动窗口对相关算法进行了简化，提高了系统的性能。

1 系统结构和工作原理

系统的硬件组成结构如图1所示，其是由FPGA，DSP，MCU、切换电路、A/D转换、自动增益控制、外部RAM和LCD显示等几部分构成的。DSP为数字处理核心，用于FIR滤波、相关运算等大量数据处理［5］，整个系统的时序由FPGA控制，确保了时序的准确性［6］。

图1 系统的硬件结构框图

超声波换能器A，B在FPGA的控制下，轮流工作在发射和接收状态，用以测量顺流、逆流时超声波传播的时间差，其谐振频率为1 MHz。接收信号经过选频放大滤除了部分干扰信号，再由自动增益控制AGC放大后送往A/D转换器，以每次25 ns的转换速度实现A/D转换，并存储到外部RAM中，整个过程都在FPGA的控制下进行，确保了时序的准确性。为了进一步提高运行的速度，DSP首先将外部RAM中的数据转存到内部RAM中，再进行55阶FIR滤波，经过FIR滤波后的信号，其采样速率较低，测量精度不够高，为了提高精度，这里进行了插值运算，插值后的两组信号再经过相关运算处理［7］，便得出流体顺流和逆流的时间差，从而求出流体的流速［8，9］。

2 滑动窗口接收技术

滑动窗口是在接收信号到达的前后才有效的一个时间窗口，窗口之外的信号一概不予处理，这样可以减小噪声的干扰并降低运算量。为保证检测信号的有效性，必须先去掉接收端的干扰， 采用窗口和脉宽检测是两个行之有效的方法。测量窗口的初始位置是根据人机对话输入的参数设置的，并通过有效信号的检测位置不断调整窗口到合适的位置。窗口的设置限定了信号的接收范围， 在一定程度上消除了噪声的干扰，同时也减少了要处理的信号样本数，降低了运算量。

滑动窗口的设置方法为：单片机根据人机对话输入的参数（管径、壁厚及流体），计算出信号自发射探头到接收探头所需传播时间的近似值，根据该近似值控制数据采样的开始时间，每组数据采集15 000个点，由于采集的数据足够多，完全可以保证有用数据能够被采集到。经过AGC电路的调整，当采集到的信号幅度满足要求时便对它们分别进行FIR滤波，再根据幅值找出有用信号的最大值点并进行信号有效性判断，信号确定为有效后再进行滑动窗口调整，将有用信号移动到有效窗口。由于换能器探头的谐振频率为1 MHz，采样频率为40 MHz，探头发射信号为5个周期，考虑到探头的余波，为了更好地采集接收信号，窗口宽度设定为800个信号点，即20个信号周期。图2所示为窗口调整前部分内存中的数据，从上面可以看到两组信号，前者幅度小，是超声波沿管壁直接传递而形成的，其传播速度快，传播时间短，后者是超声波沿正常路径传输的结果，幅度较大，也是需要的有用数据。图3是窗口调整后内存中的数据，可以看到，有效数据已被移动到最左侧的有效窗口中，后面的插值及相关运算都是只对该段数据进行。

3 插值及相关算法的简化

在超声波发生电路中，由同一触发脉冲触发2个相同的换能器产生超声波，测量中2路采集信号具有很大的相似性，因此能对信号进行相关处理。在超声波流量计中，对时间测量精度的要求很高，为了提高分辨率，可以采取一般的采样方法，然后通过数字信号处理中常用的插值算法，由软件提高系统的采样频率，从而提高时间的分辨率。

图2 窗口调整前部分内存中的数据

图3 有效数据被移动到左侧

换能器的谐振频率为1 MHz，采样频率为40 MHz，采样的时间分辨率为25 ns，对于超声波流量计，这样的分辨率是不够的，还必须提高信号的采样频率，即进行插值处理。如果采取先补“0”再滤波的方法，必须增加滤波器的阶数，同时由于插值后样本增加，滤波运算所需要的时间会大大增加。因此该系统采用线性插值的方法，在相邻2个数据点之间插入19个点，这些点与插入前的相邻点在同一直线上，这样时间分辨率可以达到1.25 ns。

该系统时间差的测量是通过比较两组超声波信号的皮尔逊积差相关系数的值来确定的，相关系数的计算方法如下［10］：

设xi和yi分别代表两组信号的采样值，i=1,2,…,n。n为采样数量，设x,yХ直鹞两组采样信号的平均值有，

x=∑xi/n,y=∑yi/n

Еx,σyХ直鹞2组采样信号的均方差有：

σx=∑(xi－x)2/(n－1),

σy=∑(yi－y)2/(n－1)

rС莆相关系数，其公式为：

r=∑(xi－x)(yi－y)∑(xi－x)2∑(yi－y)2

上式经过简化后得到公式：

r=n∑xiyi－(∑xi)(∑yi)n∑x2i－(∑xi)2n∑y2i－(∑yi)2

相关系数r的重要特征为：0

因有效窗口两端数据的变化很小（如图3所示），在小范围内改变两组数据的相位关系后，可以认为相关系数公式中的分母项的值是不变的，其不随两组采样信号的移相变化而变化。因此，在判断相关系数最大值时，只需计算相关系数公式中的分子式项n∑xiyi－(∑xi)(∑yi)У闹担然后判断它的最大值即可，这样可以大大地减少系统的运算量，提高系统的反应的速度。

4 相关算法及其简化算法的仿真与比较

为了检验相关算法简化后对结果带来的影响，把采集到窗口中的两组数据经滤波与插值后，通过Matlab分别对完整的相关算法及简化算法进行仿真分析［11］，仿真波形如图4所示。

图4 相关算法及其简化算法在Matlab中的仿真

其中上部为简化算法的仿真结果，下部为完整相关算法的仿真结果。图5为一部分仿真数据。从图中可以看出，完整相关算法的相关系数据介于+1~-1之间，最大值（接近于1）出现在5 001的位置。相比之下，简化算法的值大若干数量级，这是简化算法略去分母的结果，但这对计算没有影响，只要得到最大值出现的时间，重要的是简化算法的最大值也出现在5 001的位置，并且其波形与完整的相关算法几乎一样。由此可见，相关算法的简化并没有对这里的计算带来误差。

为进一步证实系统的可用性，将该系统与宝丽声DCT7088超声波流量计进行了对比测量，被测管道为外径为45 mm的钢管，壁厚3.5 mm，管道中的水由循环泵驱动，通过变频器控制循环泵的转速来得到不同的流速，测量结果如图6所示，二者测量结果已经十分逼近。

图5 相关算法及其简化算法的部分仿真数据

图6 实测流量对比曲线

5 结 语

这里以FPGA，DSP和MCU作为核心器件设计了一种时差式超声波流量计，结合自动延迟窗口技术，大大简化了用于计算时间差的相关算法，提高了系统的性能。通过对系统实验测试及计算机仿真，表明该系统方案切实可行。

参 考 文 献

［1］周利华,修吉平.时差式超声波气体流量计的研制［J］.仪表技术与传感器,2007(6):21-22.

［2］同济大学声学教研室.超声工业测量技术［M］.上海：上海人民出版,1977.

［3］王冠.面向CPLD/FPGA的Verilog设计［M］.北京：机械工业出版社,2007.

［4］张雄伟,陈亮,徐光辉.DSP芯片的原理与开发应用［M］.3版.北京：电子工业出版社,2003.

［5］Texas Instruments Inc.,Dsp Selection Guide 4Q 2003(Rev.M)\.2003.

［6］刘存,黄建军.时差法超声波流量计的几点改进［J］.沈阳工业大学学报,2002,24(2):113-115.

［7］郑方,徐明星.信号处理原理［M］.北京：清华大学出版社,2003.

［8］章瑞平,李国锋.超声波流量计在液体测量中的应用［J］.廊坊师范学院学报,2003,19(4):27-30.

［9］李广峰,刘P，高勇.时差法超声波流量计的研究［J］.电测与仪表,2000(9):13-19.

篇10

1、FPSO外输计量系统概述

FPSO原油计量和标定系统主要由计量撬、标定撬和控制系统三部分组成。设计采取三用一备的方式运行，每路外输管线的计量能力可达1800 m?/h，它的功能是将储油轮油舱中的原油输送至驳油轮的过程中（图 1），对原油进行精度达千分之二的精确计量和控制，为原油贸易结算提供可靠的依据；同时具备自动取样功能。

计量撬主要由DANIEL 3804超声波流量计、电动马达阀（DBB阀）、流量控制阀、自动取样器、除气过滤器、温度、压力变送器等组成；标定撬由福尔赫曼FAURE HERMAN 8500涡轮流量计、电动四通阀、电动马达阀、30寸球形体积管、两个500L的水标罐等组成；计量控制系统由上位机、五台流量计算机、两个控制盘等设备组成。

2、超声波流量计在标定过程中出现的问题

2.1采用体积管法和主表法结合的方式标定超声波流量计

FPSO的原油外输计量系统首次使用超声波流量计用于原油外输的外贸计量；用30寸球形体积管标定超声波流量计，其中流量计采用DANIEL 3804超声波流量计，它的标定原理是用球形体积管对每台流量计进行标定，当球形体积管内的球在30寸的管道内运行一周排出的液体量和超声波流量计的读数进行比较。然后通过四通阀的换向实现流程的切换。每台流量计连续标定5～10次，每次结果都要在允许误差范围以内。

厂家原设计方案中使用体积管直接标定超声波流量计，通过多方调研，与国家石油天然气大流量计量站、厂家讨论液体超声波流量计的标定方式，考虑到首次使用超声波流量计存在一定标定风险。因此在设计时特别要求在标定回路总管增加一个12寸的涡轮流量计以便在体积管直接标液超不合格时进行等精度传递法标定。涡轮流量计作为主表，用于量值传递，先用球形体积管标定涡轮流量计，再用涡轮流量计标定液体超声波流量计，使用涡轮流量计标定液体超声波流量计可以得到更好的重复性数据。液体超声波流量计由于其工作原理与传统的体积流量计或者涡轮流量计不一样，超声波流量计的输出信号是不均匀的，需要通过流速和数学模型进行计算。如果使用球形体积管标定液体超声波流量计重复性精度在流量计精度的1/3以内，（0.15%*1/3=0.05%），可能影响原油外输计量标定撬取得国家石油天然气大流量计量站的标定证书。为了保证计量标定的取证工作顺利完成，以及参考国内成功经验做法；因此选用体积管法和主表法结合的方式标定超声波流量计，即等精度传递法。

也就是说，标准表法流量标准装置的准确度同上一级标准装置的准确度大致相等。同理，用该标准表法流量标准装置检定其它流量计也可以得到相似的结果。只要该流量计的重复性足够好，就可用该流量计作为传递标准将流量量值传递给下一级流量标准装置或流量仪表。

2.2 球形体积管标定球的材质选用

此项目于2014年10月进油，经过现场多次测试过油标流程均正常，最后一次测试标定流程后将四通阀反向，确认管内原油将球顶到发球腔内，体积管电伴热一直打开，温度保持在50℃～60℃；

在进行油标取证时，将四通阀反向，LUSM和涡轮主表流速均保持在200m?/h，体积管进出口压力与LUSM处压力均为200kpa左右，排气并维持此流程约20分钟后开始正常标定流程，无法接收到检测开关信号，后经多次不同流量测试，均未能接收到检测开关信号；检查检测开关接线，并在现场进行短接测试，检测开关信号均正常；检查四通阀动作，观察现场阀位指示，正反向均动作正常；在500m?/h流速下，四通阀反向保持20分钟，后停泵，排油，打开发球腔，没有找到标定球；

怀疑标定球可能损坏，再次进行以下流程测试，观察是否能将球顶到发球腔内。在流速1200m3/h，压力200Kpa左右，四通阀反向，稳定运行约15分钟后停泵，泄压，打开发球腔，发现发球腔到四通阀直管段连接处有黄绿色残留物如下图，怀疑是标定球溶解残留。

由厂家参数表可知U-53最高耐受温度77℃，在实际使用过程中体积管温度将接近或者达到标定球的极限温度，是标定球损坏的一个诱因。

体积管水标时，油轮尚未出坞，船厂处于北方，年最高温度低于南海油轮工作环境，标定球不存在超温情况。当油轮到达工作海域后，南海气温高，加之计量撬电伴热双重作用，体积管内温度高于标定球最高使用温度，从而导致标定球损坏。

3、主表涡轮流量计的与S600数据传输问题

在进行油标取证过程中出现在线标定时主表（涡轮流量计）没有读数的情况。按照S600流量计算机中的说明，涡轮流量计典型接线：

调整回路中R阻值，观察到在电阻680欧姆时S600能正确接收脉冲信号，脉冲高电平在19.5VDC左右，但是只维持了约5分钟，就开始接收不稳定，时好时坏；调整电阻从100-1000欧姆，均未能解决此问题；经过排查，检查接地正常，按目前接线方式，可能受电磁干扰。

经分析认为，现场涡轮流量计距离流量计算机距离较远。流量计安装在现场，流量计算机安装于中控机柜。二者直线距离为129米，电缆长度更长。而且电缆敷设使用电缆桥架方式，多个设备，多种类型电缆均有敷设在一起。3.9V的脉冲电压极易受到干扰，造成流量计算机检测不到。因此较为实际的方法是提高脉冲电平。由于计量撬处于2类危险区，在原设计选型中脉冲放大器选用的是FUER HERMAN FH71-STD（标准型），该型放大器最大的优点是满足本安标准，适于危险区使用。缺点是电平较低。如果需要较高电平则需要选择3线制（OC开路）方案，该方案涡轮流量计脉冲放大器采用FH71-OC型。优点是流量计算器脉冲输入端获得的电平较高，干扰影响小。缺点是FH71-OC不符合本安要求，安装于2类危险区时需要安装在防爆接线盒内。OC开路方案接线图。

采取OC开路方案后实测到S600流量计算机脉冲输入端，脉冲高电平为12V左右。导通流程测试涡轮流量计自始至终没有出现流量为零情况，主表涡轮流量计的与S600数据传输问题得到解决。

2.4 取样系统存在循环取样积水情况

外输原油经取样循环泵一部分返回主管线，另一部分流入采样系统。采样系统根据外输流量，自动控制气体取样泵按照计算的取样间隔进行取样。由图中所示，主循环管线为6”，取样管线为1“。当外输结束后一部分油品残留于循环管线和取样管线中。在设备静置期间，由于管线伴热的加热，残留油品产生了油水分离现象。分离的水份积聚于取样管线低点处。当下次外输时积聚的水份被循环至取样柜随即被取样泵抽入取样桶，导致外输开始时取的油样含水过高，从而影响整批油样含水量。在第三次外输作业过程中，由于没有进行取样系统的排残工作，出现取样含水超过3%的情况，正常值是小于0.5%，。实践证明在下次外输开始前对取样管线中的残液进行放残，可有效减少水份被取入取样系统的数量。原系统中设计了低点排放，但是是作为管线和设备维修时排放使用。排放出的残液需要人工收集，不便于操作，需要对其进行改造。改造方案：在原有排放点基础上将出口加装管线延伸至闭排管汇。在外输开始前打开排液阀门，使排出的残液直接进入闭排，防止取样管线存水。在实际使用中又发现，外输开始前各个阀门处于关闭状态，打开排液阀门利用重力排残，时间过长，效果不佳。而且闭排管汇入口高于排液管线出口，导致仍有一部分液体残留在管线中。结合每次外输前均需要对管线充氮气进行气密保压这一情况，利用充气开始前或者结束后泄压的时机，使用氮气将取样管线中最后残留的液体吹除，可取得较好的排残效果。经过排残操作，清空了管线中的残液，减少了水份进入取样系统的机会，保证所取油样的准确性和可靠性，利用商业结算避免了商业纠纷。

3、结束语

本文通过对超声波流量计首次在FPSO外输计量的应用中出现的问题跟踪和处理，对于液体超声波流量计在FPSO外输计量的应用和设计选型时应考虑：现阶段体积管直接标定超声波流量计还存在不稳定的现象，为了避免无法取证的风险可采用等精度传递的标定方案；球形体积管标定球的材质选用考虑电伴热和夏季高温的情况，选用耐高温材质的标定球；在主表涡轮流量计的选择方面，考虑外界的干扰因素，可采用高电平的抗干扰能力强三线制流量计；自动取样系统的设计中，要考虑残液的排放和吹扫的问题，避免出现贸易纠纷的问题。

参考文献

1、JJG 667-2010，中华人民共和国国家计量检定规程――液体容积式流量计检定规程[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2010

2、孙策，安树民.液体超声波流量计检定方法[C].2010’中国油气计量技术论坛论文集，北京：2010

3、何骁勇，徐正海，FPSO原油外输计量标定系统的选型与设计[C].2013’

4、梁国伟，盛健，流量仪表等精度传递的实验研究和准确度分析[C] 2001’

篇11

前言

随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，不同结构，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，因其具有运行稳定、安装简单、维护量小等优点，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的首选工具。

1、超声波流量计的测量原理

超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量； 多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。

使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可在不影响生产管线的情况下运行，因而是一种理想的节能型流量计。超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。

超声波流量计常用压电换能器。它利用压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后接收换能器接收，经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适角度射入到流体中，需把元件放入声楔中，构成换能器整体（又称探头）。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。

常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。

2、超声波流量计的优缺点

众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不紧这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2 cm到5 m，从几米宽的明渠、暗渠到500 m宽的河流都可适用。另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。

另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高叵卤徊饬魈宕声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200 ℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1 500 m/s左右，被测流体流速（ 流量）变化带给声速的变化量最大也是10-3数量级.若要求测量流速的准确度为 1% ，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。

3、超声波流量计的应用

由于超声波流量计安装和维护方便，精度高（分公司超声波流量计精度为0.5级） ，目前，分公司共有超声波流量计12台，主要做为水的一级计量仪表使用，分别用于余热炉、燃煤、电解泵房等水的计量，陆续投运以来运行情况良好。前期通过超声波流量计的成功应用，不但为分公司的流量计量提供了可靠的数据保障，同时也为分公司日后超声波流量计的安装和维护提供了宝贵的经验。

3.1 超声波流量计安装

超声波流量计的合理安装与正确选型都是关系到流量计能否正常运行的重要因素。由于超声波流量计是一种线速度式流量计，液体的液态对流量计正常运行影响较大，因此正确选择流量计换能器的安装位置和上、下游直管段的距离十分重要。换能器的位置要选择在远离管道弯头、变径、阀门、节流装置的直管段，可以选水平管段或垂直管段（ 必须流体向上流动） ，确保流体满管平稳流动，一般要求上游直管段为10D（ D表示管道直径） ，下游5D。另外要注意换能器尽量避开有变频调速器、电焊机等污染电源的场合。超声波流量计换能器的安装方式也要有一定的要求，不能随意选用。多普勒超声波流量计采用对贴式安装方式，一对换能器对贴的最佳位置应该选择管道的水平方向，避免贴在管道的上、下游侧位置。时差式超声波流量计根据管道可径 大小不同，换能器安装方式有V形、Z形、W形三种形式，通常情况下选用V形标准安装方式； 管径大于400 mm时，采用Z； 小管径采用W形安装方式。选用不同安装方式的共同目的是一样的，即为了使换能器超声波信号强度高，测量稳定性好。

3.2 超声波流量计的维护

篇12

1 前言

2015年5月9日，某城市燃气门站按要求减少对下游用户的供气量，工作人员采用控制流量计下游球阀开度的方式进行节流。2015年5月10日08：00，计量员在与上游单位进行计量交接时，发现当日计量误差达1.3万方，购销差率高达26%，严重超出了±2.5%的合理购销差率控制范围。经排查，上下游计量流量计均检定合格且在合格期内，管网及设备设施均不存在泄漏，抄表过程合规，因此，初步认定问题还是在超声波流量计上，随后对超声波流量计的原理、计量误差产生的可能性进行分析。

2 超声波流量计工作原理

本文以多声道传播时差法超声波流量计为例进行研究，该类型超声波流量计是根据声波在气体顺流和逆流中的时间差与气体流速成正比这一原理来测量气体流量的。

3 影响超声波流量计计量准确度的因素

由上述计算公式推导可知，影响超声波流量计计量准确度的主要因素包括以下四个方面的因素：（1）超声波在气流中传播速度测量的准确性：由公式（4）可知，影响超声波在气流中的传播速度的测量准确性的因子有概括起来主要有超声波流量计的安装因素、脏污、超声波信号和外界噪声干扰等四方面。（2）压力、温度测量的准确性：从公式（8）来看，所测得压力和温度直接影响流量计量结果，压力偏高，流量偏高；温度偏高，流量偏低。（3）气质组分因素：根据公式（8）可知，流量计算计需要利用天然气压缩因子将工况下的气体流量转换为标况下的气体流量，而工况下的天然气压缩因子需根据气体组分分析得到。由于气体组分处于动态变动状态，采用固定组分会导致计量误差。（4）流量计算机的先进性：流量计算机是通过对气体流速的时间积分后再依据二次仪表采集的温度、压力，折算出标注状态下的流量。因此，流量计算机的积分技术是否先进，直接关系到最终流量数值的准确性。

4 对策分析

4.1超声波在气流中传播速度测量准确性影响的对策

（1）根据超声波流量计特性，流速沿轴线均匀分布的流态能提高测量的准确性，所以在流量计上下游安装足够长直管段。（2）为尽量减少脏污对超声波流量计计量准确度的影响，在管道、设备吹扫阶段要尽量吹扫干净；要加强对过滤器的维护保养，严格按照操作规程，定期排污，定期清理过滤器滤芯；定期对超声波流量计进行检定，对其探头洁净度进行检测。（3）充分重视带噪声源情况下超声波流量计的设计和安装， 避免超声噪声影响流量计正常工作的情况发生。（4）由于气体超声波流量计需要面对气体输送过程中的各种干扰，特别是未知流场对测量精度的影响尤为突出，因此，在设计阶段如能实地测量速度场，就可降低对各种流动状况建立数学模型的误差，可获得更好的流场适应性。

4.2 压力、温度测量准确度影响的对策

（1）根据材料科学的发展，使用先进的传感材料，提高传感材料的敏感度。（2）现场和远传仪表严格按照国家要求及时进行检定，并在确保检定合格的前提下应用。另外，在日常巡检过程中要定期对现场仪表和远传仪表就行校对，及时发现问题并整改，确保压力、温度数据的准确性。

4.3 气质组分影响的对策

为遵守计量公平、公正原则，可在不影响下游用户安全用气和气质达标的前提下，在计量设备中引入在线色谱分析仪对输送天然气组分含量进行实时监测、上传，提高天然气组分检测的准确度，及时根据测量结果调整超声波流量计的相对密度设定值。

4.4 流量计算机影响的对策

及时采纳当前最先进的组态软件，提高流量计算机积分水平，将当前科技成果转化为实践应用。

5 结语

结合本次计量事件，可以明显的发现，工作人员在减少供气量时，未按照操作规定执行，而是人为的采用控阀方式降低流量，结果因控阀造成节流效应明显，而节流效应产生的噪音严重干扰了超声波信号，最终造成计量误差。