氣體超聲流量計(jì)聲道的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要： 介紹氣體超聲流量計(jì)的組成、工作原理以及聲道設(shè)計(jì)原理，著重分析和闡述了聲道的形式和數(shù)量對(duì)流量測(cè)量精度的影響，以及不同聲道組合形式對(duì)應(yīng)用條件的要求，為產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了依據(jù)。
關(guān)鍵字： 氣體超聲流量計(jì)；聲道；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1 氣體超聲流量計(jì)的組成和流量計(jì)算原理

1.1 氣體超聲流量計(jì)的儀表組成

常規(guī)的氣體超聲流量計(jì)一般由表體、轉(zhuǎn)換器、流量計(jì)算機(jī)（結(jié)算儀）三部分組成。維思公司的產(chǎn)品為了滿足終端用戶單臺(tái)儀器的獨(dú)立使用，設(shè)計(jì)了一種具有流量計(jì)算機(jī)的計(jì)算存儲(chǔ)功能的雙核轉(zhuǎn)換器，它能獨(dú)立完成標(biāo)況流量的計(jì)算功能，如圖1所示。

圖1 維思?xì)怏w超聲流量計(jì)的組成

1.2 氣體超聲流量計(jì)的工作原理

在流量計(jì)的測(cè)量管段上裝有一對(duì)超聲換能器，超聲換能器1和2交替發(fā)射和接收超聲波，采用超聲波檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)測(cè)量超聲波沿氣流順向和逆向傳播的聲速差、壓力和溫度，計(jì)算出氣體流速及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的流量。

圖2 氣體超聲流量計(jì)原理示意圖

如圖2氣體超聲流量計(jì)原理示意圖所示，假設(shè)兩換能器間的超聲傳播距離為L(zhǎng)，超聲傳播方向與軸線之間的夾角為θ，超聲波在靜態(tài)氣體中的聲速為c0，則當(dāng)管道內(nèi)氣體流速為u時(shí)，超聲波沿氣流順向傳播和逆向傳播的速度c1、c2分別為：

速度差：Δc=c1－c2=L/（t1－τ1）－L/（t2－τ2）=2ucosθ

即：

上式即為速差法流量測(cè)量的基本原理表達(dá)式。式中，t1、t2分別為超聲波順向傳播和逆向傳播時(shí)的聲時(shí)，τ1、τ2分別為超聲波順向傳播和逆向傳播時(shí)電路、電纜及換能器等產(chǎn)生的聲延時(shí)。

從上式可以看出，速差法測(cè)量具有很大的優(yōu)越性，測(cè)得的流速u與媒質(zhì)的聲速c0（即成分）無(wú)關(guān)，這對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量是十分有利的。

由測(cè)得的管道中的氣體流速，可以得到工況條件下氣體的瞬時(shí)流量Q：

式中：D為管道直徑，A為管道截面積，則轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的瞬時(shí)流量Q0：

式中：P、T、Z分別為管道中工況條件下氣體的壓力、溫度和壓縮因子，P0、T0、Z0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的壓力、溫度和壓縮因子。

流量計(jì)在燃?xì)夤艿缿?yīng)用的過(guò)程中，由于管壁與燃?xì)猓�流體）內(nèi)部存在摩擦黏滯作用，實(shí)際燃?xì)獾牧魉僭诠艿澜孛嫔洗嬖诹魉俜植肌Ｇ懊嫣峁┑膗是管道截面內(nèi)直徑上的線平均速度uL，而測(cè)量實(shí)際流量需要的是管道內(nèi)截面的面平均流速uS。

K是修正系數(shù)（通過(guò)實(shí)流標(biāo)定給出的儀表系數(shù)），KC是流場(chǎng)校正因子（該值可以通過(guò)理論流場(chǎng)分布的原理計(jì)算得到）。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)量得到的瞬時(shí)流量進(jìn)行累計(jì)，即可得到管道內(nèi)氣體的累積流量。

2 聲道設(shè)計(jì)原理

聲道是換能器聲波所通過(guò)的路徑，超聲波在路徑上與被測(cè)氣體接觸，其聲速受到流速作用，使其正、反向接收到的時(shí)間產(chǎn)生差異，這就是速差法的基本原理。聲道使得超聲波可在流體中進(jìn)行采樣，因此采樣面的多少，取決于聲道的長(zhǎng)短和分布，同樣也決定了流場(chǎng)標(biāo)定因子的取值。聲道的長(zhǎng)短是由換能器的信號(hào)以及轉(zhuǎn)換器中發(fā)射、接收信號(hào)的能力和計(jì)時(shí)精度決定的，它的數(shù)量多少和各種組合形式是由儀器所要求的準(zhǔn)確度等級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)管道中的穩(wěn)流器的位置、前后直管段的長(zhǎng)度以及用戶對(duì)儀器可靠性的要求來(lái)決定的。

2.1 各種聲道形式的組合對(duì)準(zhǔn)確度的影響及應(yīng)用

通常氣體超聲流量計(jì)各種聲道形式的組合都是以直通式、一次反射式和雙反射式三種單聲道的基本形式組合而成的。各種聲道組合形式的選擇和各種形式的超聲波探頭入射角度都取決于設(shè)計(jì)聲道總長(zhǎng)度以及探頭在橫截面的分布要求。另一方面也與各個(gè)生產(chǎn)商的換能器信號(hào)發(fā)射和接收能力、轉(zhuǎn)換器的配置能力緊密相聯(lián)。

2.1.1 聲道形式的應(yīng)用分析

（1）直射式聲道

直射式聲道形式的聲程最短，對(duì)換能器的信號(hào)強(qiáng)度要求低。聲波在測(cè)量管壁中沒有反射點(diǎn)，換能器只要探頭的發(fā)射面防腐做的好，不必?fù)?dān)心管壁長(zhǎng)久使用后的腐蝕或管壁上黏結(jié)污垢而影響聲程的準(zhǔn)確度，因此對(duì)轉(zhuǎn)換器中的自診斷功能要求低。同時(shí)短截（測(cè)量管段）的制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低，一般的機(jī)床加上一些工裝即可生產(chǎn)。該種聲道形式的缺點(diǎn)是聲程短，橫截面的聲道長(zhǎng)度和面積之比最小，抗旋渦流和流場(chǎng)分布不均的能力最弱，要求測(cè)量系統(tǒng)中前直管段的長(zhǎng)度在15D以上，并且還要加裝流動(dòng)穩(wěn)流器，后直管段至少要5D長(zhǎng)。因此對(duì)安裝場(chǎng)地的長(zhǎng)度要求較高，否則對(duì)管道中小流量的測(cè)量準(zhǔn)確度無(wú)法保證。實(shí)際應(yīng)用中，如果前后直管段的長(zhǎng)度和流動(dòng)穩(wěn)流器的安裝不能保證時(shí)，流量計(jì)測(cè)量的最大量程比應(yīng)控制在1∶30以內(nèi)。圖3為直射式單聲道形式。

圖3 直射式單聲道形式

（2）一次反射式聲道

在同一口徑和同一入射角的前提下，聲道長(zhǎng)度是直射式的二倍，測(cè)量準(zhǔn)確度高。但由于其聲道在橫截面上都過(guò)圓心，分布不合理，不能完全反映管道各水平層面的流場(chǎng)分布情況。雖然徑向聲道長(zhǎng)，抗脈動(dòng)流的能力強(qiáng)，但橫截面上與直射式一樣軸向速度分布不均或渦流產(chǎn)生時(shí)，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確度會(huì)有影響。短截的加工制作可在普通機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，該種聲道形式對(duì)前后直管段的要求以及量程比介于直射式和雙反射式之間。圖4為一次反射單聲道的形式。

圖4 一次反射單聲道的常見形式

（3）雙反射式聲道

雙反射式聲道的聲程最長(zhǎng)，準(zhǔn)確度等級(jí)最高，但換能器的要求也最高，一般經(jīng)過(guò)二次反射后超聲信號(hào)會(huì)有10%的衰減。其和單反射式聲道組合后轉(zhuǎn)換器中都有聲程檢測(cè)功能對(duì)管壁黏結(jié)的污物進(jìn)行聲程修正。現(xiàn)場(chǎng)使用要求氣質(zhì)干凈，一般前直管段前裝有過(guò)濾器。從聲道的橫截面中可看出，無(wú)論是漩渦流還是脈動(dòng)流都不會(huì)干擾它的檢測(cè)采樣能力。比較圖5二次反射聲道形式和圖7（a）四聲道直射聲道形式可以看出，雙反射式兩聲道布局比直射式四聲道布局的抗漩渦流的能力強(qiáng)。

圖5 二次反射單聲道形式

雙反射式聲道形式的短截加工制作工藝要求高，其對(duì)換能器安裝的角度、位置要求準(zhǔn)確度很高，一般的機(jī)床配置工裝已無(wú)法保證加工精度，要保證加工精度只有在四軸聯(lián)動(dòng)以上的加工中心上實(shí)現(xiàn)，因而制作成本較高。但其對(duì)前后直管段的要求不高，不需要裝穩(wěn)流器，前10D后5D的直管段條件下就可以保證很大的量程比。如果加裝流動(dòng)穩(wěn)流器后，前7D后3D即可滿足使用。在工況條件保證的情況下，可以做到±0.5%的準(zhǔn)確度等級(jí)。

根據(jù)工況條件的變化，對(duì)聲道形式可進(jìn)行不同的選擇，以應(yīng)付不同工況條件的要求。

2.1.2 聲道數(shù)量的影響分析

（1）單聲道形式

單聲道式流量計(jì)的設(shè)計(jì)基于以下假設(shè)：對(duì)于任何穩(wěn)定的管內(nèi)流體，其流速是以管軸為中心對(duì)稱分布的，實(shí)際情況流速很少對(duì)稱管軸分布，流體經(jīng)常受到管道特性的影響。其中包括上游管段的安裝、溫度和壓力的變化等都能影響流體流速的分布，因此單聲道流量計(jì)的測(cè)量精度只能做到±（1.5～2.0）%，通常此種形式流量計(jì)被用于工業(yè)過(guò)程控制。

（2）雙聲道形式

雙聲道流量計(jì)一般有三種形式：直射式、單反射式和雙反射式。圖6為雙聲道的三種常見形式，兩個(gè)聲道在橫截面上的分布是對(duì)稱于過(guò)圓心的直線。

圖6 雙聲道的三種常見形式

雙聲道流量計(jì)的特點(diǎn)是聲道對(duì)稱，沒有聲道權(quán)重的調(diào)配問題。但當(dāng)一個(gè)聲道出現(xiàn)故障時(shí)，往往對(duì)測(cè)量精度和量程比產(chǎn)生比較大的影響。一般用于過(guò)程控制和城市燃?xì)獾馁Q(mào)易計(jì)量。結(jié)合DN200口徑三種不同雙聲道形式產(chǎn)品的特征，總結(jié)性能參數(shù)如表1所示。

表1 DN200雙聲道的性能參數(shù)

（3）四聲道形式

為了保證實(shí)際測(cè)量的可靠性，目前國(guó)內(nèi)主要?dú)怏w超聲流量計(jì)的用戶如中石油、中石化和中海油等，在天然氣貿(mào)易交接結(jié)算時(shí)均采用四聲道以上的氣體超聲流量計(jì)產(chǎn)品，其聲道的形式如圖7。四聲道流量計(jì)在一個(gè)聲道出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)準(zhǔn)確度的影響一般在（0.2～0.3）%。

國(guó)外制造商均采用四個(gè)直射式的聲道形式，如圖7（a）；個(gè)別廠商則采用了兩個(gè)單反射式+兩個(gè)雙反射式的四聲道組合形式，如圖7（c）。

圖7 四聲道氣體超聲流量計(jì)的三種常見形式

不論聲道數(shù)的多少，設(shè)計(jì)人員都要考慮聲道的入射角，一般情況下，與軸向的軸線夾角越小則被測(cè)的距離越長(zhǎng)，抗旋渦流場(chǎng)的能力就越大，精度就越高。缺點(diǎn)是對(duì)換能器的信號(hào)要求高，抗干擾的能力弱，表體的長(zhǎng)度長(zhǎng)。聲道數(shù)的多少和入射角的大小往往取決于制作成本的高低和市場(chǎng)的定位，另一方面也決定了性價(jià)比的高低。表2中給出兩種不同聲道形式的氣體超聲流量計(jì)的性能參數(shù)。

表2 DN200四聲道氣體超聲流量計(jì)的性能參數(shù)

（4）五聲道和六聲道

目前國(guó)外高端產(chǎn)品有五聲道和六聲道產(chǎn)品，其中四個(gè)聲道用來(lái)測(cè)速，另外一至兩個(gè)聲道用來(lái)檢測(cè)管壁的污垢厚度和流場(chǎng)分布并用軟件隨時(shí)進(jìn)行修正。這類儀表一般當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)表使用，另一方面由于實(shí)驗(yàn)標(biāo)定裝置的準(zhǔn)確度，沒有那么高的精度來(lái)檢驗(yàn)，其使用受到限制。圖8為五聲道氣體超聲流量計(jì)的一種形式。

圖8 五聲道氣體超聲流量計(jì)

2.2 聲道選擇應(yīng)考慮的因素

目前工業(yè)產(chǎn)品的氣體超聲流量計(jì)雙聲道和四聲道形式最小口徑只做到DN80，主要受限于換能器的安裝位置，即在短截上的分布間距，本文不考慮表體機(jī)械加工的各種因素，只從聲道理論上討論數(shù)量形式對(duì)準(zhǔn)確度和應(yīng)用面上的影響。

2.2.1 聲道L的長(zhǎng)短與測(cè)量不確定度的關(guān)系

從圖2中可以看出：

又有式（1）：

當(dāng)零流量時(shí)，令t1=t2，有：

將t=L/c，L=2D/sinθ代入式中，從而得到：

式中：c為工況下，在被測(cè)介質(zhì)中的聲速（m/s）；L為聲程（m）；t為聲波通過(guò)聲道的時(shí)間（s）；D為管道內(nèi)徑（m）；Δu為零流量時(shí)的偏移量（m/s）；Δt為測(cè)時(shí)誤差（s）；θ換能器中心軸與管段中心軸的夾角（°）。

由于式中右項(xiàng)有c、θ、D和t四個(gè)因子，實(shí)際上Δt的誤差是由四個(gè)因子的誤差組成的。

由上式可見：氣流速度的測(cè)量誤差Δu與測(cè)時(shí)誤差Δt成正比。

當(dāng)被測(cè)氣體為天然氣時(shí)，通常c=400m/s，Δt=10ns，θ=60°時(shí)，不同口徑流量計(jì)的測(cè)速誤差如表3所示。

表3 不同口徑流速誤差

從表3分析得出：

（1）測(cè)速誤差與管徑反比，管徑越大測(cè)速誤差越小。
（2）由于L=2D/sinθ，因此同一口徑聲道入射角越小，聲道越長(zhǎng)，測(cè)速誤差越小。

在不考慮管內(nèi)流場(chǎng)分布和轉(zhuǎn)換器測(cè)時(shí)程度的前提下，真正決定超聲流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)的并不是它的聲道數(shù)的多少，而是聲道數(shù)的總長(zhǎng)度，聲道數(shù)的總長(zhǎng)度越長(zhǎng)，流量測(cè)量的誤差越小。

2.2.2 聲道數(shù)量選擇和聲道形式配置時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)因素

（1）軸向速度分布不對(duì)稱的檢測(cè)采樣能力；
（2）旋向速度分布不對(duì)稱的檢測(cè)采樣能力；
（3）渦流強(qiáng)度的檢測(cè)采樣能力；
（4）徑向速度分布不均勻（脈動(dòng)）的檢測(cè)采樣能力；
（5）在相應(yīng)的聲道入射角的情況下，轉(zhuǎn)換器自動(dòng)增益對(duì)不同聲道的聲程長(zhǎng)短差異的調(diào)節(jié)能力，以及自檢測(cè)能力和功能；
（6）根據(jù)不同聲道的組合配置不同的換能器；
（7）要求在同一臺(tái)表體中配備同一型號(hào)規(guī)格的換能器，并保證備品備件的更換滿足上述要求。

多聲道的聲道組合形式中直射式都是單一形式的組合。主要原因是由于直射式的聲道和反射式的聲道長(zhǎng)短的差異太大，如果這種直射式聲道形式與單反射式或雙反射式出現(xiàn)在同一臺(tái)表體上，勢(shì)必造成在同一臺(tái)表體上需要使用不同型號(hào)的換能器，以彌補(bǔ)轉(zhuǎn)換器對(duì)不同聲程進(jìn)行自動(dòng)增益調(diào)節(jié)的能力。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到換能器的規(guī)格和轉(zhuǎn)換器自動(dòng)增益能力的因素，不會(huì)將直射式聲道與反射式聲道混合組合。

3 結(jié)論

（1）直射聲道是數(shù)字式絕對(duì)傳輸時(shí)間法的早期應(yīng)用模型，換能器技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用比較可靠，但對(duì)軸向速度分布不對(duì)稱、二次分析渦流的能力、權(quán)重因子固定等問題缺乏簡(jiǎn)單的解決手段。只有靠增加聲道數(shù)量和增加整流手段，以及強(qiáng)大的軟件予以解決。

（2）反射聲道技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了測(cè)量的聲程，而且在軸向速度分布不對(duì)稱、消除渦流影響、權(quán)重因子自動(dòng)調(diào)整等方面進(jìn)行了改進(jìn)，提高了儀表的現(xiàn)場(chǎng)使用精度。但對(duì)氣體介質(zhì)自身的潔凈度要求較高，表體制作成本較高。

（3）四聲道反射形式的設(shè)計(jì)能均勻、平衡分布結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜流態(tài)及時(shí)檢測(cè)，消除各種不對(duì)稱流對(duì)計(jì)量精度帶來(lái)的各種影響。前后直管段要求低，但要求氣體潔凈度要高，表體制作成本較高，在現(xiàn)場(chǎng)工況條件好的情況下，其準(zhǔn)確度等級(jí)可達(dá)到0.2%。

（4）四聲道直通式流量計(jì)在增加較長(zhǎng)的前后直管段和穩(wěn)流器的前提下，因其測(cè)量重復(fù)性也能滿足現(xiàn)有的貿(mào)易計(jì)量，并且表體的制作成本較低，對(duì)氣體清潔度要求低，其信號(hào)抗干擾的能力強(qiáng)，是一種可靠性好、實(shí)用性強(qiáng)的形式，其準(zhǔn)確度等級(jí)能滿足0.5級(jí)的要求。

（5）聲道型式和聲道數(shù)量的選擇應(yīng)根據(jù)流量計(jì)安裝現(xiàn)場(chǎng)條件、工況條件、準(zhǔn)確度等級(jí)、量程比以及性價(jià)比等要求來(lái)進(jìn)行確認(rèn)。

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