气体超声波流量计─天然气流量计量的发展趋势
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应用超声波原理测量流量始于1928年，进入实用阶段约在20世纪70年代，但仍限于测量液体。用于测量气体流量约在90年代，至今不到10年。由于气体 超声波流量计具有许多传统流量计（孔板、涡轮、涡街……等）无法相比的突出优点，在天然气流量计量领域中，它犹如
应用超声波原理测量流量始于1928年，而进入实用阶段约在20世纪70年代，但仍限于测量液体。用于测量气体流量约在90年代，至今不到10年。由于气 体超声波流量计
具有许多传统流量计（孔板、涡轮、涡街……等）无法相比的突出优点（见表1），在天然气流量计量领域中，它犹如一颗耀眼的新星，备受国内外 工程技术界的关注。2000年6月在巴西召开的“FOLMEKO2000第十届流量测量国际学术讨论会”上，重点讨论了超声波流量计，该方面的论文数占论 文总数的29.4%，接近1/3；而历届讨论最多的有关差压式的论文数仅占17.6%，不再成为热点。从发展趋势来看，由于超声波流量计具有精确度高、性 能稳定可靠、量程比大、管道中无检测件等特点，在工程应用及国际贸易中，大有后来居上取代传统流量仪表的趋势。目前，美国、英国、荷兰、德国、加拿大、俄 罗斯等10余个国家已批准它为天然气贸易输送系统的计量仪表。
据了解，我国也正对此进行技术谁，制定了标准。仅以我国四大世纪工程之一的西气东输工程为 例，经多次流量计量论证，已将气体超声波流量计作为流量计量的首选仪表。据估算，该项目一期工程对检测控制仪表的投资将达到100亿元左右。流量计量是整 个工程中重要的检测参数，初步估计，管道为DN150~1000的大中型天然气输配计量站约数百个，DN100以下的流量计量所需仪表将以万计，流量计量 投资约10亿元左右。这个巨大的市场对于仪表生产厂商来说，真是千载难逢！
表1 流量计的性能比较
项目
孔板
涡街
涡轮
超声波
精确度（%）
±1
±1
±1
±0.5
量程比
管径范围（mm）
50~800
50~300
10~500
75~1600
压损
很大
较小
较小
无
对涡流的敏感
很敏感
很敏感
较敏感
不敏感
对流速分布的敏感
很敏感
很敏感
较敏感
不敏感
测脉动流
不适合
不适合
不适合
适合
测双向流
不能
不能
不能
可以
测湿气体
不能
不能
不能
可以
清洗管路
不能
不能
不能
可以
二 原理
1.流速测量
目前用超声波法来测气体流量，时差法几乎是唯一的选择。
tab=L/(C Vmcosθ)
式中 C——声速
Vm——声道上的平均流速
θ——换能器安装的倾角（声道角度）
tab=L/(C-Vmcosθ)
再考虑cos?=X/L，两式相减化简可得
从式（1）可知，用时差法测流体的轴向速度与声速C无关，这就大大简化了测量电路。这个方法早为人们所知，但实际应用到测量气体流量当时还有困难。近几年 来由于集成电路的飞速发展，可以精确测量极其微小的时间差（达10-9~10-12s），才使其得以进入实用阶段。目前对时差的处理电路有PLL（锁向环 路）、TLL（时间锁定环路）及LEFM（波前沿时间差法）等。
2.流量测量
流量应为管道横截面积A乘以流过管道横截面的流体流速V，它与上述声道L上的平均流速Vm并不相等，可用系数K予以修正，K=Vm/V。系数K取决于流体的雷诺数Re，在管道内充分发展的紊流条件下
K=1.119-0.011×logRe (2)
当流速V变化10倍时，K值将变化1%，在进行精确测量时，必须用K对流量值进行动态修正。
当管道的直管段不够长时，管内的流速分布不能形成充分发展的紊流，这将降低许多流量仪表测量的精确度。而超声波流量计可采取多声道的办法（可采用8个换能 器、4个声道以测量整个截面的流速，如图（2）以减少受到的影响，帮仍可保持高达±0.5%~±1%的精确度。
三 特点
（1）适用于大口径管道测量，口径范围75~1200mm，最大口径可达1600mm；
（2）精确度一般优于±0.5%，重复性可达±0.1%；
（4）所需上下游直管段较短，上游为10D，下游为3D；
（5）无可动部件，使用安全、可靠；
（6）换能器轻巧，所占空间小，安装维护方便；
（7）无压损，为节能产品，可降低输气管道增压费用；
（8）可进行双向流量测量；
（9）不测质量流量；
（10）不受涡流及横截面流速分布变化的影响；
（11）可精确测量脉动流；
（12）不受温度、压力、气体组分变化的影响；
（13）不受沉淀物、湿气的影响；
（14）可在不断流、带压状态下更换换能器；
（15）具有自检、自诊断功能；
（16）管内无阻流件，可允许清洗球自由通过管道和流量计，清洗容易。