影響氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量精度的因素分析

車義

摘 要：超聲波氣體流量檢測技術(shù)作為一項(xiàng)新型技術(shù)，以其自身可靠性、穩(wěn)定性等優(yōu)勢在天然氣輸送等多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用和普及。但是受到諸多因素的影響，氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量精度存在很多不確定性，難以發(fā)揮其積極作用。文章將從氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量運(yùn)行原理入手，分析和研究降低設(shè)備計(jì)量精度的各類因素，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的調(diào)整措施。

關(guān)鍵詞：氣體超聲波；流量計(jì)；計(jì)量精度；影響因素

前言

氣體超聲波流量計(jì)在相關(guān)領(lǐng)域中已經(jīng)獲得了十分成功的應(yīng)用，國外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究。相比較而言，我國對于超聲波流量計(jì)的研究較少，而氣體超聲波流量計(jì)存在信號(hào)不穩(wěn)定、信噪比較高等問題，嚴(yán)重制約了其產(chǎn)品化發(fā)展。因此加強(qiáng)對影響氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量精度的研究對于豐富理論研究成果具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量運(yùn)行原理

當(dāng)前，較為常見的超聲波流量計(jì)系統(tǒng)能夠在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下，直接輸出標(biāo)準(zhǔn)條件下體積量。而氣體超聲波流量計(jì)將天然氣作為基礎(chǔ)，通過壓力變送器、在線色譜分析儀等設(shè)備完成計(jì)量工作。相比較傳統(tǒng)設(shè)備而言，這種計(jì)量模式不僅能夠提高工作效率，還能夠?yàn)榭茖W(xué)決策提供依據(jù)，該設(shè)備將成為使用領(lǐng)域未來發(fā)展的必然選擇。

在具體應(yīng)用中，超聲波流量計(jì)信號(hào)處理單元通過對筒體中的氣體流速等要素進(jìn)行測量，然后利用在線色譜分析儀等設(shè)備計(jì)算獲得體積流量，最后上傳至站控系統(tǒng)當(dāng)中。

2 降低氣體超聲波流量計(jì)量精度的主要因素分析

影響氣體超聲波流量計(jì)量精度因素很多，較為關(guān)鍵的體現(xiàn)在三個(gè)方面：

2.1 信號(hào)方面

超聲波理想媒介中傳播，不會(huì)出現(xiàn)聲波減弱現(xiàn)象，相反，在非理想媒介中傳播過程中，聲波會(huì)隨之距離的增加而呈現(xiàn)遞減的趨勢，形成將聲波轉(zhuǎn)換為熱耗散的過程。在研究中能夠發(fā)現(xiàn)引起媒介對聲波吸收的因素較多，主要由粘滯吸收與熱傳導(dǎo)兩部分構(gòu)成。聲波的具體計(jì)算公式如下：

？琢=？琢x+？琢1+？琢R

公式中？琢為聲音衰減系數(shù)。如某流量計(jì)系統(tǒng)中采取的200kHz地超聲波發(fā)生器，信號(hào)經(jīng)過放大和濾波環(huán)節(jié)后，當(dāng)探頭距離在30cm之內(nèi)，理論曲線與實(shí)際曲線相重合；當(dāng)距離超過30cm之外，實(shí)際信號(hào)曲線斜率比理論斜率小，出現(xiàn)這種情況的原因在于噪聲的產(chǎn)生[1]。

超聲波流量計(jì)工作是超聲波在不同介質(zhì)與流向中速度差異進(jìn)行的計(jì)量。超聲波在通道中傳播時(shí)間是設(shè)備進(jìn)行流量計(jì)算的主要因素。在設(shè)備運(yùn)行過程中，超聲信號(hào)對于計(jì)量產(chǎn)生的影響具體表現(xiàn)如下：調(diào)壓閥與節(jié)流裝置產(chǎn)生的噪聲為寬頻噪聲，高頻部分隨著節(jié)流裝置前后壓差和流量增加而增加，進(jìn)而影響超聲信號(hào)傳輸，最終降低計(jì)量準(zhǔn)確性。由此可見，對于計(jì)量精度而言，應(yīng)盡量控制噪聲的產(chǎn)生。

2.2 硬件方面

時(shí)差法超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度主要是超聲波順逆流的時(shí)間計(jì)時(shí)精度，計(jì)算公式如下：

v=（t2-t1）Lt■■t■■arccos？茲

試驗(yàn)表明，當(dāng)傳感器之間的安裝距離相對誤差在5%之內(nèi)時(shí)，流量相對誤差在10%，也就是說前者越大，后者也將隨之增加。而管道內(nèi)徑相對誤差為-3.3%時(shí)，流量誤差為-5%[2]。同時(shí)，超聲波流量計(jì)換能器、信號(hào)處理等配件的安裝質(zhì)量也將影響設(shè)備運(yùn)行。如某計(jì)量站流量安裝運(yùn)行后，受到第二聲道探頭接線松動(dòng)引起的聲道聲速變小，導(dǎo)致設(shè)備計(jì)量精度大打折扣。

受到換能器信號(hào)線的影響，計(jì)量結(jié)果偏低，使得計(jì)量系統(tǒng)無法準(zhǔn)確進(jìn)行計(jì)量。就超聲波流量計(jì)特性而言，流速沿著軸線均勻分布的流態(tài)能夠改善計(jì)量不準(zhǔn)確情況，所以在流量計(jì)上下游位置進(jìn)行調(diào)整，能夠避免由于硬件安裝造成的計(jì)量精度不高問題。

2.3 流場方面

流場作為重要影響因素，雖然當(dāng)流體流速較小時(shí)，其沿著直線傳播，但是這種差別仍然不容忽視。在特定條件下，設(shè)備偏移距離與探頭半徑相當(dāng)，收到的信號(hào)幅值將會(huì)被削弱，進(jìn)而影響到計(jì)量精度。此外，在流量計(jì)運(yùn)行過程中，壓力、溫度測量都是由現(xiàn)場遠(yuǎn)傳儀表完成測量目標(biāo)，該數(shù)值直接參與到流量計(jì)算當(dāng)中[3]。就公式來看，獲取的壓力和溫度對于流量計(jì)計(jì)量結(jié)果具有直接影響。壓力與流量之間呈正相關(guān)，而溫度與流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。受到工作環(huán)境等外界因素的變化，得到的測量結(jié)果也會(huì)發(fā)生偏差。綜上所述，氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量精度影響因素不僅限于某一方面，要想提高其計(jì)量精度，需要從多個(gè)方面入手。

3 提高超聲波流量計(jì)計(jì)量精度有效措施

3.1 重視對設(shè)備的監(jiān)測

氣體超聲波計(jì)量在設(shè)計(jì)之初都設(shè)置了自診斷系統(tǒng)，能夠利用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和判斷，幫助工作人員了解和掌握設(shè)備運(yùn)行實(shí)際情況。因此在具體運(yùn)行過程中，可以對設(shè)備進(jìn)行定期檢查，如果發(fā)現(xiàn)實(shí)際測得聲速與計(jì)算聲速超過0.2%，應(yīng)采取相應(yīng)措施，對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，以避免計(jì)量精度低帶來的不便[4]。另外，還可以觀察效率因子，如果出現(xiàn)突變或者高頻率大幅度正負(fù)跳變時(shí)，證明流量計(jì)運(yùn)行已經(jīng)存在明顯不穩(wěn)定的情況，且設(shè)備在運(yùn)行過程中，其電壓增益值數(shù)字趨于穩(wěn)定化，且增加幅度不明顯，一旦數(shù)值出現(xiàn)突增情況，表示信號(hào)接收強(qiáng)度開始減弱，需要對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以獲得較為準(zhǔn)確的計(jì)量精度。

3.2 避免造成的產(chǎn)生

上文提到噪聲對于流量計(jì)計(jì)量精度具有直接影響。因此應(yīng)盡量確保計(jì)量前后閥門全開，促使下游調(diào)節(jié)閥對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于氣體超聲波流量計(jì)上游閥門節(jié)流時(shí)，能夠產(chǎn)生人耳聽到和聽不到的聲音，一旦這種聲波的頻率與設(shè)備工作頻率產(chǎn)生共振時(shí)，將會(huì)降低信噪比，影響到計(jì)量準(zhǔn)確性。而通過閥門全開，能夠有效避免這一問題的出現(xiàn)，顯著提高計(jì)量準(zhǔn)確性。

3.3 確保被測介質(zhì)流速均勻性

對于流場問題，應(yīng)盡量保持被測介質(zhì)流速、流量等穩(wěn)定性，并符合流量計(jì)運(yùn)行要求。如果壓力偏低，流體交易發(fā)生流動(dòng)及轉(zhuǎn)換，在流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，超聲換能器穿越不同流態(tài)介質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生誤差，因此保證流場穩(wěn)定是提高流量計(jì)計(jì)量精度的前提[5]。同時(shí)還應(yīng)注重對設(shè)備的日常維護(hù)與保養(yǎng)，確保設(shè)備始終保持在良好狀態(tài)下運(yùn)行，避免外界因素對流量計(jì)計(jì)量精度產(chǎn)生的消極影響。

4 結(jié)束語

根據(jù)上文所述，氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)作為一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)備，在促進(jìn)石油領(lǐng)域健康發(fā)展等方面占據(jù)十分重要的位置。為了能夠提高流量計(jì)計(jì)量精度，我們首先要明確影響其精度的各類因素，并從多個(gè)方面入手，制定針對性解決方案，減少超聲波噪聲的產(chǎn)生、加強(qiáng)對流量計(jì)設(shè)備運(yùn)行情況的監(jiān)督和測試，及時(shí)消除不良影響因素，不斷提高計(jì)量精度，從而促使設(shè)備實(shí)際價(jià)值得到有效發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

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