時(shí)差式超聲波流量計(jì)在長輸原油管道的應(yīng)用及分析

郭富強(qiáng)

[中圖分類號] TE832.1

[文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，流量計(jì)量的準(zhǔn)確性日益受到人們的重視，而超聲波流量計(jì)由于其廣泛適用性而應(yīng)用于化工、石油天然氣、水力、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域中，使超聲波流量計(jì)快速發(fā)展成為流量測量領(lǐng)域的重要組成部分。

1 時(shí)差式超聲波流量計(jì)

時(shí)差式超聲波流量計(jì)主要根據(jù)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(shí)間，利用傳播速度之差與被測流體流速之間的關(guān)系進(jìn)而計(jì)算介質(zhì)流速[1]。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

超聲波流量計(jì)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(fā)射、接收及信號處理。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收換能器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放人并轉(zhuǎn)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(jìn)行積算顯示。

1.2 工作原理

如圖1所示，設(shè)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(guān)，為了補(bǔ)償溫度對測量結(jié)果的影響，必須在順流和逆流兩個(gè)方向上同時(shí)發(fā)射超聲波，以便同時(shí)考慮加以計(jì)算。從Pl到P2順流發(fā)射時(shí)，超聲波傳播時(shí)間為n（s）;從P2到Pl逆流發(fā)射時(shí)，超聲波的傳播時(shí)間為t2 （s）。流體流速礦在超聲波運(yùn)動方向上的速度分量為U=Vcos o（m/s），

當(dāng)超聲波順流從換能器Pl送到換能器P2時(shí)，傳播速度C被流體流速礦加快，為：

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

式（1）減式（2），可以導(dǎo)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(gè)計(jì)時(shí)時(shí)間tl和t2計(jì)算流體的線平均速度。由式（3）可以導(dǎo)出兩次超聲波運(yùn)行的時(shí)間差為：

由上公式可知，時(shí)間差與流體的線平均流速精確地呈線性關(guān)系。但時(shí)間差的量值很小，所以時(shí)間信號的檢測非常重要。時(shí)差式超聲波流量計(jì)的測量精度與超聲波傳播時(shí)間的準(zhǔn)確測量密切相關(guān)，必須穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測量傳播時(shí)間，有效地對順、逆流傳播時(shí)差進(jìn)行計(jì)算。

要求在時(shí)間檢測過程中，控制發(fā)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(shí)間分辨率。時(shí)差式測量法的流速是聲道上的線平均流速n而計(jì)算流量所需的是流通橫截而的而平均流速Vm，二者的數(shù)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(jìn)行補(bǔ)償。體積流量Q（ rr13/1i）計(jì)算公式為：

武中K為流速分布修正系數(shù)，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(guī)律很復(fù)雜，層流和紊流是流體流動的兩種狀態(tài)，兩種不同流動狀態(tài)對應(yīng)著管內(nèi)的速度分布也不同。

根據(jù)流體力學(xué)，雷諾數(shù)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(tài)的一個(gè)判斷依據(jù)。雷諾數(shù)Re< 2000為層流狀態(tài);雷諾數(shù)Re> 4000為紊流狀態(tài);雷諾數(shù)Re- 2000～4000為過渡狀態(tài)。雷諾數(shù)Re變化，K值將變化。所以要精確測量時(shí)，必須對K值進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。

1.3 換能器的性能及特點(diǎn)

超聲波的發(fā)射和接收，需要一種電.聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，這就是換能器。換能器處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能;反之，換能器處于接收狀態(tài)時(shí)，將聲能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能。換能器通常有一個(gè)電的儲能元件和機(jī)械振動系統(tǒng)，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(yīng)和逆壓電效應(yīng)。當(dāng)在換能器的兩電極施加脈沖信號時(shí)，壓電晶體就會發(fā)生共振，帶動諧振子振動，并推動周圍介質(zhì)振動，從而產(chǎn)生超聲波;相反，電極未加電壓，則當(dāng)壓電晶體受到回波信號時(shí)將開始振動，由于逆壓電效應(yīng)，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(jì)的重要組成部分。它是利用超聲波技術(shù)進(jìn)行流量測量的關(guān)鍵，它的性能直接影響到整個(gè)檢測泵統(tǒng)的性能和可靠性，主要體現(xiàn)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(kuò)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(shù)和吸收衰減系數(shù)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(fā)射強(qiáng)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(fā)射的強(qiáng)度越人，相同距離內(nèi)接收換能器受到的強(qiáng)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(fā)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(jìn)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(fā)射和接收信號的能力及計(jì)時(shí)精度決定的，它的數(shù)量多少和各種組合形式是由流量計(jì)所要求的精度等級來決定的。[3]

單聲道超聲波流量計(jì)是在管道上安裝一對換能器構(gòu)成一個(gè)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(shù)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(jìn)行計(jì)算，但實(shí)際上波速和流速在微觀上形成合成速度的關(guān)系很復(fù)雜，很難采用簡單平均的方法進(jìn)行計(jì)算。這種流量計(jì)對非軸對稱的流態(tài)比較敏感，對流態(tài)分布變化適應(yīng)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(tài)分布變化適應(yīng)能力強(qiáng)，測量精度高，可用于人口徑管道和流態(tài)分布復(fù)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(jì)在安裝換能器時(shí)無需管道斷流，即夾即用，具有安裝簡單、使用方便的特點(diǎn)。但不能適用于管道材質(zhì)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(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號的發(fā)射、接收經(jīng)過流體，不受管質(zhì)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(jì)，在聲道數(shù)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(jì)要高。2時(shí)差式超聲波流量計(jì)的應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn)

2.1 UFM303 0K時(shí)差式超聲波流量計(jì)的應(yīng)用

時(shí)差式超聲波流量計(jì)在多條原油長輸管道上得到使用，如甬滬寧管網(wǎng)、湛江原油管線、日儀線等。針對原油長輸管道介質(zhì)粘稠、管道口徑人的特點(diǎn)，選用UFM3 03 0K時(shí)差式超聲波流量計(jì)檢測站場進(jìn)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(shù)據(jù)上傳到站控制系統(tǒng)和調(diào)度控制中心。

UFM3030K時(shí)差式超聲波流量計(jì)的流量傳感器和信號轉(zhuǎn)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(tài)實(shí)現(xiàn)了三維交叉分割。多組下行聲道在流態(tài)上提供最多的信息，對非軸對稱的流態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償修正。測量聲道的定位使得測量不受流體形態(tài)的影響，保證流量計(jì)在整個(gè)雷諾數(shù)范圍內(nèi)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(shù)，并具有動態(tài)增益補(bǔ)償功能，能克服如固體顆粒、氣泡、旋渦、結(jié)垢、結(jié)蠟引起的干擾。這種具有專利技術(shù)的傳感器加上創(chuàng)新的電子部分以及數(shù)字信號處理器，保證了即使在惡劣的工況下電能實(shí)現(xiàn)測量的穩(wěn)定性和可靠性。UFM3030K在流速人于等于0.5 m/s時(shí)，測量流量的精度可以達(dá)到±0.3%。UFM3030K的信號轉(zhuǎn)換器可以輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號和（或）脈沖/頻率信號，通信協(xié)議有HART協(xié)議或Profibus PA。除了實(shí)際體積流量測量，還可以輸出質(zhì)量流量、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量。并且具有附加功能：用外部壓力和溫度輸入計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的體積或質(zhì)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(tài)最佳，達(dá)到指定的精度，需確保入口段有直的10×DN （DN=流量計(jì)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(xiǎn)場所區(qū)域內(nèi)，其防爆等級為ExdIICT3，防護(hù)等級為IP67，滿足原油管道現(xiàn)場的使用要求。

2.2 UFM3030K時(shí)差式超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（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(tài)。這在工業(yè)流量儀表中具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

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

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

（4）對介質(zhì)兒乎無要求，通用性強(qiáng)。只要能傳播聲波的流體皆可用超聲波流量計(jì)測量流量，如導(dǎo)電/非導(dǎo)電、高壓、高黏度、強(qiáng)腐蝕、易揮發(fā)、易爆、放射性介質(zhì)等。流體中的固體顆?；驓馀輰y量結(jié)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(jié)構(gòu)合理、便于維護(hù)。流量傳感器無阻隔，經(jīng)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(yàn)，可實(shí)現(xiàn)多年免維護(hù)并且始終有效工作，使得操作與維護(hù)成本降至最低。

（6）重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝和調(diào)試。不需要過濾器、濾網(wǎng)、支撐、接地或與振動源隔離。由于該儀表免維護(hù)，因此可以安裝在很難到達(dá)的地方。

3 結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

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