時差式超聲波流量計在長輸原油管道的應用及分析

郭富強

[中圖分類號] TE832.1

[文獻標志碼]A

[文章編號]2095-6487 （2021） 02-0115-03

Application and Analysis of Time Difference Ultrasonic Flowmeter in

Long-distance Crude Oil Pipeline

Guo Fu-qiang

[ Abstract]

Tlus article analyzes the measurement principle of the time difference ultrasonic flowmeter and the performance and characteristics ofits main components， and based on the UFM3030K time difference ultrasonic flowmeter that is widely used in crude oil pipelines， analyzes the key pointsof the technology， according to the site The practical experience of the application has summarized its advantages and provided important guidance andreference for the production and operation oflong-distance crude oil pipelines

[ Keywords] ultrasonic nowmerer; UFM3030K; transducer; sound track; application

近年來，隨著國民經濟和科學技術的快速發展，流量計量的準確性日益受到人們的重視，而超聲波流量計由于其廣泛適用性而應用于化工、石油天然氣、水力、農業等眾多領域中，使超聲波流量計快速發展成為流量測量領域的重要組成部分。

1 時差式超聲波流量計

時差式超聲波流量計主要根據超聲波在流體中傳播，順流方向超聲波傳播速度會增人，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時間，利用傳播速度之差與被測流體流速之間的關系進而計算介質流速[1]。

1.1 結構組成

超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量積算顯示單元三部分組成。其電子線路功能包括發射、接收及信號處理。超聲波發射換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發射到被測流體中，接收換能器接收到的超聲波信號，經電子線路放人并轉換為代表流量的電信號，電信號提供給流量積算顯示單元進行積算顯示。

1.2 工作原理

如圖1所示，設靜止流體中聲速為C （m/s），流體線平均流速為V（m/s），一組換能器Pl、P2與管道安裝成日如，超聲波在換能器之間的傳播路徑長度為L（m）。管道直徑為D=Lsin0 （m）。由于超聲波速度與流體的溫度有關，為了補償溫度對測量結果的影響，必須在順流和逆流兩個方向上同時發射超聲波，以便同時考慮加以計算。從Pl到P2順流發射時，超聲波傳播時間為n（s）;從P2到Pl逆流發射時，超聲波的傳播時間為t2 （s）。流體流速礦在超聲波運動方向上的速度分量為U=Vcos o（m/s），

當超聲波順流從換能器Pl送到換能器P2時，傳播速度C被流體流速礦加快，為：

反之，當超聲波逆流從換能器P2傳送到換能器Pl時，傳播速度C則被流體流速V減慢，為：

式（1）減式（2），可以導出：

在測量路徑長度L傾角日以及管道兒何尺寸不變的前提條件下，能通過測量兩個計時時間tl和t2計算流體的線平均速度。由式（3）可以導出兩次超聲波運行的時間差為：

由上公式可知，時間差與流體的線平均流速精確地呈線性關系。但時間差的量值很小，所以時間信號的檢測非常重要。時差式超聲波流量計的測量精度與超聲波傳播時間的準確測量密切相關，必須穩定、準確地測量傳播時間，有效地對順、逆流傳播時差進行計算。

要求在時間檢測過程中，控制發送的壓電脈沖和處理接收信號的測量變送器必須有很高的時間分辨率。時差式測量法的流速是聲道上的線平均流速n而計算流量所需的是流通橫截而的而平均流速Vm，二者的數值是不同的，其差_片取決于流速分布狀況。因此，必須用一定的方法對流速分布進行補償。體積流量Q（ rr13/1i）計算公式為：

武中K為流速分布修正系數，即聲道上線平均流速礦和而下均流速Vm之比，即：

管道流體流速分布規律很復雜，層流和紊流是流體流動的兩種狀態，兩種不同流動狀態對應著管內的速度分布也不同。

根據流體力學，雷諾數Re是流體流動中慣性力與粘性力比值的量度，即是流體流動狀態的一個判斷依據。雷諾數Re< 2000為層流狀態;雷諾數Re> 4000為紊流狀態;雷諾數Re- 2000～4000為過渡狀態。雷諾數Re變化，K值將變化。所以要精確測量時，必須對K值進行動態補償。

1.3 換能器的性能及特點

超聲波的發射和接收，需要一種電.聲之間的能量轉換裝置，這就是換能器。換能器處于發射狀態時，將電能轉換為機械能，再將機械能轉換為聲能;反之，換能器處于接收狀態時，將聲能轉換為機械能，再轉換為電能。換能器通常有一個電的儲能元件和機械振動系統，如圖2所示。

它通過借助壓電晶體的諧振來工作，即壓電晶體的壓電效應和逆壓電效應。當在換能器的兩電極施加脈沖信號時，壓電晶體就會發生共振，帶動諧振子振動，并推動周圍介質振動，從而產生超聲波;相反，電極未加電壓，則當壓電晶體受到回波信號時將開始振動，由于逆壓電效應，可將機械能轉換為電信號，由換能器的接收電路接收。

超聲波換能器是超聲波流量計的重要組成部分。它是利用超聲波技術進行流量測量的關鍵，它的性能直接影響到整個檢測泵統的性能和可靠性，主要體現在以下方面。

（1）頻率。超聲波的頻率在很大程度上影響著超聲波的傳播。超聲波的頻率越高，聲束擴散如小，能量越集中，方向性好，分辨率也越好。但對同一流體來說，超聲波的散射衰減系數和吸收衰減系數分別與頻率的四次方和二次方成正比，所以頻率越高，超聲波衰減越人。

（2）發射強度。由于噪聲的影響，接收換能器接收到的信號一般要求在幾十毫伏以上，超聲波發射的強度越人，相同距離內接收換能器受到的強度也越人，削弱噪聲吸收的影響。所以，要使換能器可靠地工作，必須要發射出足夠的能量，以便接收換能器分辨處理超聲波首波，提高測量精度。聲道是超聲波通過的路徑，聲道使超聲波可以在流體中進行采樣，因此采樣面的多少取決于聲道的長短和分布。聲道的長短是由換能器的信號、換能器發射和接收信號的能力及計時精度決定的，它的數量多少和各種組合形式是由流量計所要求的精度等級來決定的。[3]

單聲道超聲波流量計是在管道上安裝一對換能器構成一個超聲波通道。單聲道用通過管道軸線的單一路徑的線平均流速乘上流速分布修正系數K來代表面平均流速。雖然在基本原理中采用理想的下均速度進行計算，但實際上波速和流速在微觀上形成合成速度的關系很復雜，很難采用簡單平均的方法進行計算。這種流量計對非軸對稱的流態比較敏感，對流態分布變化適應性差，測量精度不易控制。

多聲道測量多路徑線平均流速，減少流動畸變影響，對流態分布變化適應能力強，測量精度高，可用于人口徑管道和流態分布復雜的管道。

換能器在管道上的安裝方式可分為外夾式、插入式、管段式三種。①外夾式。外夾式超聲波流量計在安裝換能器時無需管道斷流，即夾即用，具有安裝簡單、使用方便的特點。但不能適用于管道材質條件不好的工況。②插入式。在管道上打孔，把換能器插入管道內，完成安裝。由于換能器在管道內，其信號的發射、接收經過流體，不受管質的限制，但維修和更換比較麻煩。③管段式。把換能器和測量管組成一體，要求切開管道安裝流量計，在聲道數相同的情況下，其測量精度比以上兩種形式的超聲波流量計要高。2時差式超聲波流量計的應用及優點

2.1 UFM303 0K時差式超聲波流量計的應用

時差式超聲波流量計在多條原油長輸管道上得到使用，如甬滬寧管網、湛江原油管線、日儀線等。針對原油長輸管道介質粘稠、管道口徑人的特點，選用UFM3 03 0K時差式超聲波流量計檢測站場進出站管線的流量。其能夠較好地完成流量檢測反泄漏檢測的功能，將數據上傳到站控制系統和調度控制中心。

UFM3030K時差式超聲波流量計的流量傳感器和信號轉換器采用一體化的方式組成。它的聲道形式為三聲道弦狀布置，如圖3所示。三組測量聲道在測量管中對流體的速度分配、流體形態實現了三維交叉分割。多組下行聲道在流態上提供最多的信息，對非軸對稱的流態進行補償修正。測量聲道的定位使得測量不受流體形態的影響，保證流量計在整個雷諾數范圍內都有良好的精度。

UFM3030K的超聲波探頭采用固定在測量管件上的專利技術，并具有動態增益補償功能，能克服如固體顆粒、氣泡、旋渦、結垢、結蠟引起的干擾。這種具有專利技術的傳感器加上創新的電子部分以及數字信號處理器，保證了即使在惡劣的工況下電能實現測量的穩定性和可靠性。UFM3030K在流速人于等于0.5 m/s時，測量流量的精度可以達到±0.3%。UFM3030K的信號轉換器可以輸出標準模擬信號和（或）脈沖/頻率信號，通信協議有HART協議或Profibus PA。除了實際體積流量測量，還可以輸出質量流量、瞬時流量、累計流量。并且具有附加功能：用外部壓力和溫度輸入計算標準的體積或質量流量。

UFM3 03 0K安裝方式力管段式，嵌入在工藝管道中。為使流體狀態最佳，達到指定的精度，需確保入口段有直的10×DN （DN=流量計尺寸）的長度，出口段有5×DN的長度。UFM3030K可以在室外露天安裝，并處于爆炸危險場所區域內，其防爆等級為ExdIICT3，防護等級為IP67，滿足原油管道現場的使用要求。

2.2 UFM3030K時差式超聲波流量計的優點

（1）作為非接觸式儀表，該儀表無壓力損失，不改變流體的流動狀態。這在工業流量儀表中具有的獨特優點。

（2）口徑范圍廣、量程比人，即使在低流量區也有極佳的精度。原理上不受管徑限制，使用時不必嚴格考慮管材和壁厚，且其造價基本上與管徑無關，更適合于人管徑、人流量的場合。而其他流量計隨著管徑的增人，制造成本會人幅度增加。

（3）超聲波流量計的輸出信號與被測流體流量成線性關系并且具有雙向流測定的功能。精度表現與介質性質無關，不受黏度、密度、溫度、壓力、電導率的影響。具有完整的自診斷功能，不斷檢查儀表狀態和工況情況。

（4）對介質兒乎無要求，通用性強。只要能傳播聲波的流體皆可用超聲波流量計測量流量，如導電/非導電、高壓、高黏度、強腐蝕、易揮發、易爆、放射性介質等。流體中的固體顆粒或氣泡對測量結果的影響很小，允許含有5？6固體和2%氣體。因榆測件無需與流體接觸，可避開惡劣條件下的被測對象，為測量帶來很人的好處和便利。

（5）結構合理、便于維護。流量傳感器無阻隔，經過處理的表而光滑，不易粘掛。沒有插入或移動部件，所以沒有磨損、剝落或附加壓損。因此該儀表無需重新校驗，可實現多年免維護并且始終有效工作，使得操作與維護成本降至最低。

（6）重量輕，結構緊湊，易于安裝和調試。不需要過濾器、濾網、支撐、接地或與振動源隔離。由于該儀表免維護，因此可以安裝在很難到達的地方。

3 結束語

原油長輸管道的站場已大量地使用時差式超聲波流量計，通過多年的實際使用，現場反應情況良好，故障率低，具有較高的穩定性。由此可見，從時差式超聲波流量計自身在人口徑管道工程中的優勢和現場的良好表現來講，它將在未來的管道工程中會有更為廣泛的應用前最，只需要根據用途和場合，就可以選擇合適的時差式超聲波流量計。

參考文獻

[1]陳亦文，邱公偉.超聲波流量計的原理、應用和發展[J]福建電腦，2002 （9）：34-36

[2]《計量測試技術手冊》編輯委員會計量測試技術手冊第6卷[M].北京：中國計量出版社，1996

[3]石泓然氣體超聲波流量計聲道的設計與應用[J]儀表技術，2011 （11）：1-4，7