超声波流量计汇总十篇
超声波流量计篇（1）
相对于传统技术技术新型天然气超声波计量技术具有更高的准确度，但是这种计量技术的计量结果也会受到一定因素的影响，为了保证获得准确的计量结果本文将对影响计量结果的因素进行分析，并且探讨实际运用中应当注意的问题。
一、天然气流量计量中气体超声波流量计的应用
天然气流量计量主要是通过多参数测量实现的，并且还需要设置相应的流量比对装置以确保测量的准确性。为了进一步保证实验数据的准确性和有效性，将一套标准孔板流量计与气体超声波流量计进行串联运行。选用的气体超声波流量计为四声道，具有300mm内径，流量范围是240~6405m3/h。
（一）气体超声波流量计准确度与超声的关系
表1阀门1控制流量、阀门2全开时气体超声波流量计的运行气体超声波流量计测量准确度会受到被测介质内部噪声的影响。如果采用气体超声波流量计这种方法来控制流量的大小，那么其节流的声音与流量的增加是成正比的关系，标准孔板流量计与气体超声波流量计之间的相对误差就会加大，这就会发生这两种流量计所计算出来的流量严重不相符。当阀门1全部打开的时候，在阀门2控制流量大小的情况下，气体超声波流量计的信噪会相对比较大，标准孔板流量计和气体超声波流量计之间则会具有相对固定的误差。实验数据如表1和表2。根据表1和表2可知，如果由上游阀门1节流，气体超声波流量计信噪就会比上游阀门全开时低，这是因为当上游阀门在进行节流的过程中，人类无法听到的高频声波和人类可以听到的声音将会同时产生，如果声波频率与气体超声波流量计量的工作频率无限度相似的时候，那么就会造成气体超声波流量计信噪比的减小，这样流量计的测量准确度就会受到影响。
（二）气体超声波流量计与流态的关系
根据GB/T18604-2001《用气体超声博流量计测量天然气流量》中的相关规定，气体超声波流量计的上游直管段至少具有10D、下游直管段至少具有5D，其目的就是确保符合对称紊流速度分布要求的天然气流态可以进入流量计。空间弯头和计量管路中阀门对天然气的速度分布会有直接影响，从而使测量的准确度有所降低。气体超声波流量计的升到分布示意图如图3，四个声道沿管道横截面由上至下分布。管道中气体的平均流速可以通过气体超声波流量计加权平均各个声道测得的流速获得。在阀门1节流、阀门1全开测得的气体流态在管道中分布情况如表3和表4所示。根据图1、表4、表5可知，在阀门1节流的情况下，通过超声波A、D声道流速大于B、C通道流速可知，天然气在管道中的流速分布不均匀程度会随着流量增大而增大。随着流量的增大管道内气体的分布逐渐代替分布，换句话说，管道中心气体的流速小于管道壁的气体流速，当全部打开上游气流的阀门的时候，不会阻挡气流，管道内的气体流速不会随着流量的增加而产生较大的变化。当闸阀没有完全开启的时候，天然气的经过会受到阀门闸板的阻挡，产生不对称的旋转气流，这实际上是漩涡流的发展前兆。
（三）气体超声波流量计与气质的关系
气体超声波流量计在我国发展较晚，所以还没有在真正全面认识其实际工作性能。一般情况下来讲，在进行气体超声波流量计的过程中，对其气质条件并没有严格的要求，工业环境下可以实现气体的大多数清洁均质液体或不含大浓度悬浮粒子的流量测量。在用气体超声波流量计测量天然气的过程中，如果天然气当中含有大量的粉尘、雾状液滴和饱和水蒸气的时候，就应该充分考虑到气质条件可能带来的影响。最初，笔者发现相较于标准孔板流量计这种方法而言，气体超声波流量计的流量测量结果相对偏高。通过对气体超声波流量计进行诊断的过程中发现，处于非工作状态下的D声道很容易被饱和天然气所凝析出来的液体淹没，从而影响了换能器的正常运作。当排除积存在管道内的液体的时候，超声波流量计就可以恢复正常的工作状态。在一个声道发生故障时多声道气体超声波流量计能够实现自动补偿运算，进而造成流量计的流量输出略高于正常情况。能够影响气体超声波流量计工作性能的还包括天然气中的粉尘，例如当上游某个气体处理厂没有正常开机时，分子筛中的粉尘会随着气体超声波流量计的工作流程而带入进来，这样就很容易在底部的换能器处造成粉尘堆积的现象，影响气体超声波流量计的正常运转。
二、应用气体超声波流量计时应当重视的问题
（一）科学选型
一般情况下，型号不同的流量计，其测量的范围也是不同的，实际生产生活中涉及到的超声波流量计的测量范围都较为宽广，最大流量通常是最小流量的三十倍。利用测量天然气的流速确定天然气流量是气体超声流量计的工作原理，2.7~27m/s是其理想的工作范围，气体超声波流量计要想保证检测准确度就应当将工作流速控制在这个范围内。如果天然气流量比气体超声波流量计的流量拐点低时，就会在一定程度上降低气体超声波流量计的准确性，造成增大误差的后果。而在天然气流速过高的情况下，超声波信号无法被换能器检查到，进而造成计量故障问题。因此，进行超声波气体流量计选型时，应当正确掌握管道中天然气的流速，防止超底限或超高限运行情况的产生。选择气体超声波流量计时，还应当对是否存在声波干扰源进行充分考虑，其中主要指的是消音设备、大压差减压设备、高速度等能够产生超声波信号的设备。人们耳朵能够听见的声波通过消音设备能够转化为听不到的声波，一旦气体超声波流量计工作频率接近消音设备的超声波频率或减压设备的超高频噪声，那么超声波流量计就会无法正常工作。所以应当尽量避免在能够产生影响流量计声波场合，安装和选用气体超声波流量计[1]。
（二）严格安装
设置气体超声波流量计上下游直管段的过程中，应当充分执行相应标准，其中上游直管段和下游直管段应当分别大于10D和5D，并且还应当安装流动调整器解决安装条件受测量现场限制的问题。同时安装气体超声流量计时应当保持水平方向，这样就能够有效测量含液较多的天然气，还要严格根据技术要求进行气体超声波流量计和计量管段的安装，以保证气流就能够将天然气凝析出来的液体带走，防止超声波流量计存在液体堆积问题。如果固体粉尘含量较大额天然气，就应当将在上游直管段加设过滤器，避免因换能器表面堆积沉积物而产生故障[2]。
（三）科学维护
在使用气体超声波流量计的过程中，需要进行维护的情况少之又少，但如果计量气体气质较差那么就需要对气体超声波流量计的换能器进行及时清洗，并对换能器表面是否存在水沟和杂质进行检查。同时还应当关注有无泄漏存在于气体超声波流量计的各连接件中，链接线路是否正常以及检测零流量是否准确等等。
（四）定期诊断测试
一旦气体超声波流量计产生流量突变的情况，就应当运用其他与气体超声波流量计串联运行的流量计进行比对校核，确定显示天然气流量变化的真正原因。对于没有其他流量计作比对的情况，就应当通过气体超声波流量计的诊断软件对各个换能器的工作参数进行全面检查，进而了解异常参数值是否存在。对于使用超声波流量计较多的情况，应当将便携外夹式超声波流量计作为首选，这样能够随时校核固定安装的超声波流量计[3]。
结束语：
新型天然气超声波流量计量技术作为一项先进的技术，已经得到人们的广泛认可和运用。但是在实际运用过程中仍然要充分考虑影响计量过程的相关因素，并通过采取相应的措施获得最准确的计量结果。
参考文献：
[1]申思,申云廷.超声波在天然气流量计量中的应用[J].城市燃气,2014,(09):11-15.
超声波流量计篇（2）
【摘要】介绍了超声波流量计的工作原理、结构、选型原则及安装要求。
关键词 超声波流量计；结构；选型；安装
1超声波流量计的工作原理
超声波流量计利用超声波测量流量有许多种方法，其中典型的方法有时差法、声循环法、多普勒法。本文主要介绍时差法超声波流量计的工作原理，超声波在流体中的传播速度受到流体流速的影响，在流体顺流方向和逆流方向是不一样的，其传播时间差和流体的流速成正比。只要测出超声波在这两个方向上传播的时-间差，便可知流体的流速，再乘以管道截面积便可得流体的流量。具体计算公式如下：
超声波在顺流方向传播时间t1为：
由上可知这时只要测得t1和t2，便可求得流体流速，流体流量。
2超声波流量计的结构
超声波流量计主要由换能器和控制器（变送器）两部分构成。换能器有两种，一种是发射换能器，另一种是接收换能器。发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收换能器接收到超声波信号，通过传输线送到控制器（变送器）。控制器（变送器）的作用是将接收到的超声波信号经电子线路放大并转换为与被测流体体积流量成正比的电信号，进行显示和累计计算，还可将信号进行远传进入DCS等控制系统。
3超声波流量计的选型
为确保流量计正常投运，仪表选型至关重要。超声波流量计根据换能器的安装方法不同可分为外夹式超声波流量计、插入式超声波流量计和标准管段式超声波流量计。超声波流量计的选型主要是根据计量要求选择适合的流量计。
（1）外夹式超声波流量计，优点：①外夹式超声波流量计的换能器安装在管道外面，不与被测流体直接接触，不存在换能器腐蚀、粘结等问题；②测量时，在管道内部无任何测量部件，没有压力损失，不改变流体的流动状态；③安装简单方便，管道不用切断，不用开孔，安装时不用停流；④可以便携使用，便于对有怀疑的其他流量计进行比对。不足：①对管道条件要求较高，应确定管道材质、管道外径、壁厚、衬里材质和厚度等；②测量精度相对低一些。
（2）插入式超声波流量计，优点：①安装时不用停流，使用专用安装工具在管道上开孔，换能器直接穿插在孔内；②与外夹式超声波流量计相比，测量精度较高，不受管道锈蚀、结垢等的影响。不足：①换能器直接与被测流体接触，易被腐蚀、结晶造成仪表测量不准确。
（3）标准管段式超声波流量计，把换能器固定安装在按照设计加工好的管段上，并且换能器直接与被测流体接触。这种流量计能够准确控制加工精度，同时可以精确测量管段的几何尺寸，而且两个换能器之间只有单一被测介质，所以测量准确度较高，但是，不足是安装麻烦，需要断流，割开管道安装，而且对于大口径管道定做价格较高，因此除非特殊要求一般不建议选用此种超声波流量计。
综上，超声波流量计在选型时必须综合考虑准确度、安装条件、现场环境等，选择适合的流量计。
4超声波流量计的安装
（1）测量点的选取：①测量点应尽量选择距离上游10倍直径、下游5倍直径以内均匀直管段，以确保流体所需的流速分布；②流量计尽可能水平或垂直安装，管内必须充满流体，当换能器安装在倾斜管道上时，不要装在上部和底部，以免管道内的气体或杂质进入测量声道，应尽可能使换能器处于和水平面成45度角的范围内；③对于外夹式超声波流量计，测量点管道内壁不能有过厚结垢层，尽量选择无结垢的管段且应具有良好的导声性能；
（2）换能器安装方式
①V法安装
适用于管径较小时，采用V法安装扩大了声程长度，增加了顺逆向声波传播时间；
②Z法安装
Z法安装方式一般适用于DN200以上管道，使用Z法安装时超声波在管道中直接传输，没有折射，信号衰耗小。
5超声波流量计的应用
近年来，由于电子技术的进步，超声波流量计发展很快，且日益完善，越来越显示出其优越性。各种超声波流量计已广泛应用于工业生产、商业计量和水利检测等方面，例如，在市政行业的原水、自来水、中水、污水的计量中，超声波流量计具有大量程比，无压损的特点，在保证测量准确度的同时提高了官网的输水效率；在工业冷却循环水的计量中，超声波流量计实现了在线不断流带压安装和在线标定。
6结束语
综上所述，超声波流量计作为流量测量仪表，有其独特的优点，在很多领域得到了越来越广泛的应用，特别是智能化超声波流量计，采用微处理器和程序控制，且带通讯接口、功能更强、编程方便，因而具有更强的生命力。但是不论其如何发展，如果设计选型及安装不当，不仅无法发挥其优越性，还会带来损失。因此，在实际应用中，超声波流量计的正确选型及安装是极为重要的两个环节，必须引起我们的重视。
参考文献
超声波流量计篇（3）
1.输气站场流量测量的现状分析
1.1流量测量的复杂性
与液体流量计量不同，由于气体的可压缩性，压缩因子的确定较为复杂，导致气体流量计量存在一定的复杂性；在计量过程中，对流经计量装置处气体的流态要求也比较高，在理想情况下，要求气体流经计量装置时，气体流动方向保持与管道平行，气体沿径向均匀分布等，不能存在旋流或涡流等异常流态，但在实际中要达到绝对的理想状态几乎不可能。由于上述原因，造成输气站场流量测量工作复杂，在测量过程中，一方面要求测量结果具有一定的精确度，另一方面，又要求能够满足的经济性的要求。
1.2目前输气站场所用流量计的种类和存在的问题
目前，长输管道工艺站场的天然气计量装置主要有两种形式，一是超声波流量计量装置，其主要由现场超声波流量计、压力变送器、温度变送器、直管段、整流器和流量计算机等组成；二是涡轮计量装置，主要由现场涡轮流量计、压力变送器、温度变送器、直管段和流量计算机等组成。
2.输气站场超声波流量计的种类、工作原理及影响精确度的因素
2.1超声波流量计的种类及工作原理
按照流量计的声道数划分，超声波流量计可分为单声道流量计和多声道流量计两种。为了保证计量精度，目前输气站场广泛采用的是四声道超声波流量计。按照超声波发生和接收过程划分，超声波流量计还可分为对射式和反射式两种。例如，丹尼尔流量计多为对射式流量计，而阿尔斯特流量计一般为反射式流量计。
超声波流量计工作的基本原理是，超声波在天然气中，沿气体顺流方向和逆流方向的传播速度不同，通过测量两个方向传播的时间差，来计算出天然气在管道中的流速，从而得出天然气的瞬时流量。
2.2影响超声波流量计精确度的主要因素
从理论上讲，影响超声波流量计量系统精确度的因素很多，直管段长度，温压变送器的安装位置及精度，流量计本体内加工精度，换能器性能及声道数等都与计量精度密切相关。
换能器（探头）性能的好坏和声道数是影响流量计准确度的重要因素。从理论上讲，通过单声道超声波的发射和接收，就可计算出气体流量，但实际天然气在管道内的流动往往是不均匀分布的，这样，只有通过多声道流量计在不同截面的发射和接收，才能消除这种不均匀性，从而提高计量精度。
3.输气站场超声波流量计的应用建议
3.1做好流量计的设备选型工作
输气站场环境复杂，在选用超声波流量计时，应重点关注一下几个方面。
一是要尽量选用多声道流量计。目前天然气输气站场用于贸易计量的流量计一般为四声道超声流量计，只有声道数在四个以上时，才能满足计量所需精度，减少与下游用户的计量纠纷。
二是在流量计量程选择上，要兼顾设备投用初期和远期用气量；兼顾日峰谷、年峰谷用气量。由于超声波流量计的量程比比较宽，在用户流量范围波动不是很大的情况下，根据计量管段压力等级，通过合理的选择流量计口径，一般都能做到对上述不同流量值的兼顾。
3.2做好流量计量装置的现场安装和初始化配置工作
流量计现场安装是否符合要求，对流量计量的准确性影响很大。首先，在直管段的安装上，不能仅限于满足设备厂商的技术要求，更重要的是要满足行业的相关标准。设备厂家的技术要求是在理想状态下提出的，而输气站场具有复杂多样性，各种配套设备的安装状况、运行时的不同工况等都可能给准确计量带来影响。建议超声波流量计上下游直管段应满足前30D、后40D，且上游安装整流器的要求。另外，压力、温度取样点的选择也很重要，一般压力的取样点应选择在流量计本体上，以便能准确测量流过流量计的天然气压力；温度的取样点一般选择在流量计下游直管段5D左右处，这样即能以减少温度套管对气体流态的影响，又能相对准确地反映实际气体的温度。
3.3做好流量计的日常维护工作
虽然，超声流量计的日常维护工作量并不大，但也要重点做好以下几点工作，一是要定期对探头进行清理，污损的探头对超声波的发射和接收会造成影响，从而影响计量精度；二是要定期对流量计进行声速核查，通过软件检查各探头的工作情况，使流量计始终处于最佳工作状态，确保计量准确。
3.4建立流量计远程维护系统，延长流量计检定周期，从而减少设备维护工作量
天然气长输管道具有距离长、社会依托差、远离城市的特点，这就给系统维护带来一定难度。为此，建立一套远程维护系统是非常必要的。超声波流量计远程维护是以局域网和广域网（或互连网）为基础的一套远程维护系统。在该系统中，输气站场需将流量计、流量计算机等设备组成局域网，并向上通过交换机、路由器等设备与广域网（或互联网）连接，这样，在远端就可通过网络访问到当地的流量计或流量计算机，对其进行检查、维护或修改配置等。按照国家相关规定，具备远程维护能力的流量计，其检定周期可以适当延长，从原来的两年一检延长到六年一检，这样就可大大减少设备维护工作量。
4.结束语
综上所述，文章通过研究，基本明确了超声波流量计在输气站场的应用方法，但鉴于输气站场环境的复杂性和多变性，因此以上方法在实际工作中的应用，仍然需要结合输气站场本身的计量条件和现状，予以进一步弥补和完善，以提高超声波流量计应用的实效性，为输气站场提供更为专业的计量技术。
参考文献
[1]刘军芳.气体超声波流量计诊断功能的实践应用[J].中国科技博览，2014，（5）：325.
超声波流量计篇（4）
超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声波用于测量流体的流速有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。超声波流量计的测量方法有时差法、多普勒效应法、波束偏移法等、其中时差法的电路最为简单、使用也最为广泛。
1.时差法超声波流量计的原理
时差法超声波流量计其工作原理如图1所示。它是利用一对超声波换能器相向交替收发超声波、通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，其关系符合下面表达式：
（1）
其中：θ为声束与液体流动方向的夹角，M为声束在液体的直线传播次数，D为管道内径，Tup为声束在正方向上的传播时间，Tdown为声束在逆方向上的传播时间，ΔT=Tup-Tdown。
图1 超声波流量计测量原理
由此可见， 流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。流量Q可以表示为：
（2）
2.超声波脉冲信号激励电路
超声波信号发射的驱动方式一般有高压单脉冲信号和低压多脉冲信号两种。高压单脉冲信号用升压变压器升压到小于600Vpp的单脉冲信号，主要用于气体流速的测量。低压多脉冲信号，用驱动电路将电压转换为20～30Vpp的5～10个脉冲信号，主要用于液体流速的测量。
一个典型的双声道超声波流量计信号处理电路框图如图2所示。超声波换能器载波频率一般为500kHz，1MHz或2MHz。经过驱动电路处理，将微控制器发出的3.3V或5V脉冲信号转换为15V的脉冲信号，并经BTL电路驱动，形成峰峰值30V的脉冲信号加到超声波换能器两端。经过介质传播后，另一个超声波换能器接收到衰减后的超声波回馈信号，让后级电路进行后续处理。这里由于采用的是一体型超声波换能器，所以两个传感器在某一时刻，一个是发射传感器，一个是接收传感器，另一时刻两个传感器的作用又进行调换。所以，需要一个高速低阻的四路模拟开关进行信号的转换。
2.1 信号驱动电路
为了实现微控制器的脉冲信号电平到15V电平输出的转换，采用TC4427芯片， 这是一款双低边MOS场效应管驱动器，最大峰值输出电流为1.5A。该芯片可以将TTL或者CMOS电平信号转换为电源电压信号电平，电源电压可在4.5V到18V之间，输出延时小于40ns。
图2 信号处理框图
图3 信号驱动电路图
如图3所示：引脚1和2、3和4交替出现等幅等频脉冲信号高低电平， 输出形成一个BTL驱动电路， 频率为输入引脚的一半，幅度为30V的峰峰值脉冲信号。因为超声波换能器是一个容性负载，为了提高波形质量减小上升沿和下降沿的尖峰脉冲，加入了四个IN4148二极管和四个180Ω的分流电阻进行匹配。
2.2 信号切换和采集电路
本设计通过采用美信半导体的DG403芯片实现信号切换和采集，这是一款四路高速模拟切换开关，开关切换时导通时间只需100～150ns，关断时间只需60～100ns，导通电阻最大38Ω。
如图4所示，U13为DG403芯片，在上游超声波换能器发射脉冲波形的时候，通过OEC的通道选择，关断上游超声波换能器，导通下游超声波换能器到输出端D，通过并联一个电容进行阻抗匹配之后，经电容去波形直流电压成分送中U12频放大器MC1350进行初级放大。微控制器可测出从上游传感器发送脉冲到接收到放大后的脉冲的时间间隔Tup即为顺流传播时间。于此类似，下游超声波换能器发送脉冲，上游超声波换能器经OEC选择信号后经过匹配电容进行放大处理，可测得逆流传输时间Tdown。时间差T=Tup-Tdown。微控器根据公式即可计算得出介质的流速，并可转换为流量。
3.具体电路调试
为电路调试方便，首选固定OEC，也就是先只测某个方向的传输时间，当测试稳定后再测反方向的传输时间。两个都能测出来的时候，就可以加入定时切换两者的发射或接收状态。
首先，发射10个周期的脉冲，然后测试超声波换能器两端的电压信号。如果出现杂波较大，则需调整匹配电容的参数，直到观测到波形较好的30Vpp的10个方波脉冲信号。然后经过初级IF 放大芯片MC1350后观测接收波形，通过示波器看一般幅度较低，略有频偏。在发射脉冲信号一定时间后出现若干组回馈信号， 其中只有一组是正确的信号， 其他均为无用的干扰信号或反复折射后的信号。反向测试与上述过程类似。
4.结语
该电路已经通过仿真及电路实验，并已经应用于液体超声波流量计上， 测量实验室用自PVC管，可测得较为稳定的流量数据。该超声波电路根据选用不同的超声波换能器， 理论上可测管径为10～100cm。
参考文献
[1]李广峰，刘，高勇.时差法超声波流量计的研究[J].电测与仪表，2000（09）.
[2]杨景常，刘冬梅.高速切换开关技术在高速数据采集电路中的应用[J].电测与仪表，2002（06）.
超声波流量计篇（5）
超声波流量计是当今工业生产自动化以及检测技术中常用的计量仪表，通常采用232/485通信接口或者4～20mA模拟信号接口输出。这种输出方式在很长一段时间内满足了工业上数据传输的要求。但随着当今工业自动化的迅速发展尤其是各类检测系统的发展，常规的输出方式的弊病已经越来越明显，流量计的远程通信成为一种趋势。现在常用的解决方案是通过RTU接收仪表的数据，再实现仪表数据的远传。
一、超声波流量计的基本结构
计量仪表的设计通常分为一次仪表与二次仪表两部分，这种超声波流量计的基本构架设计也遵从这种方式，采用一次仪表与二次仪表分开设计。超声波流量计结构如图1所示。
一次仪表主要实现将电能转换为超声波，同时实现超声波信号的检测与处理，
二次仪表主要实现检测超声波信号传播时间，计算出相应流速，并对相应的结果进行判断与验证，同时实现数据的处理与输出。可以说，二次仪表是计量仪表的大脑，所有的逻辑运算与数据处理都在二次仪表中进行。
超声波流量计总体由一次仪表与二次仪表构成[1]，一次仪表包括压电换能器及其相关电路，包括：
（1）超声波信号收发部分：完成超声波信号的发射与接收，实现换能器对能量形式的转换；
（2）超声波信号处理部分：实现对收发信号的处理，使电路信号能够与控制芯片信号较好的配合
二次仪表主要实现人机交互、信号处理等功能，其主要包括：
（1）最小系统：ARM芯片能够工作的最基本系统条件，包括电源电路、时钟电路、复位电路等
（2）数字信号处理部分：包括已调理信号的处理、数据输入存储器等
（3）驱动服务：完成人机互动、数据通信等功能
二、远程通信模块的基本结构
现在常用的RTU采用485协议与仪表进行通讯，然后通过网络通信模块进行数据传输。常见的网络模块包括ZIGBEE模块、GPRS模块、3G模块以及最新的4G模块等。
较为合理的远程通信方式可以考虑采用ZigeBee技术组成小范围的无线传感网络解决有线通信走线复杂的问题，同时可以实现网内传感器的互联互访。再通过某一至两个GPRS节点上传数据实现远距离的数据通信，这样的结构既可以节省485通信线路走廊，也可以节约GPRS节点的个数。
总之，整个通信流程中，ZigBee与GPRS通信技术相互配合，取长补短，能够，采用ZigBee技术实现近距离通信，GPRS实现数据远传，两种方式可以实现大范围、远距离的传感器组网数据通信。
三、远程超声波流量计远程模块的设计
3.1远程模块硬件结构
设计将常规超声波流量计与RTU的设计相结合，采用ARM作为处理核心。由于ARM具备的多任务处理的能力，可以实现数据的处理与传输。这种方案在传统超声波流量计的硬件结构的基础上，只需要增加了传感器的远传模块就可以实现数据的远程传输。传感器基于Zigbee组网并通过GPRS实现数据远传功能，使传感器成为真正意义上的远程流量计。
远程超声波流量计的基本结构与常规流量计并没有太大区别，但他的设计增加了网络协调器。其硬件结构设计如图2所示。
以LPC2210作为控制器为例，通过SPI接口实现与MC13192 Zigbee模块的数据传输，再通过UART1串口实现与SIM800 GPRS的数据传输。
3.2软件结构的设计
无线收发功能主要是由GPRS模块和Zigbee模块配合实现的无线收发模块的应用程序各主要任务如表1所示：
通过优先级的不同，依次完成各任务。
四、总结
通过将二次仪表的设计与RTU相结合，流量计的可嵌入性得到极大的提升，极大的降低了工业自动化生产、流量监控系统等运用场所中的安装成本与设计难度，提高了数据传输效率，具有较好的研发前景。
参 考 文 献
超声波流量计篇（6）
1.超声波流量计概述
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表，目的是解决一些测量困难的问题。超声波流量计，集计算机和传感器技术于一身，将声学的研究成果与现代电子技术结合在一起，可以用于多种液体的测量。
2.噪声来源
在超声波流量计测量系统中，构成噪声源物质的类型很多。如：
（1）流量计安装环境中可能存在的较大的电场和磁场干扰;
（2）靠近水泵安装时的水泵带来的接近于超声波信号的噪音;
（3）操作人员随身携带的通信系统;
（4）电源中的高次谐波;
（5）电路板上高频晶体振荡器所带来的噪声干扰。对于从外界来的噪声干扰源，主要采用降低电路对噪声的敏感度、减少噪声拾取、切断噪声耦合路径的办法解决，而对于来自于系统内部，如电路板上的噪声源，则采取信号地、数字地分离、多点接地、合理布线的方法解决。
典型的噪声路径框图如图1所示。可以看出，一个噪声问题的产生必须具备三个要素，首先，必须有噪声源;其次，必须有对噪声敏感的接收器;第三，必须有一个将噪声从源头传送到接收器的耦合路径。因而要解决噪声问题就必须从这三个方面着手解决。
图1 噪声产生的三要素
3.改良措施
3.1 滤波
因为超声波信号的频率大致为1Mhz，由运放和电容等器件构成的有源滤波器的带宽较小，最大在几百千赫兹，在这个频率附近不易采用，而若采用专用集成的滤波电路造价又偏高，因此这里采用了简单易行的由电感和电容组成的LC 滤波器。
如图2所示，由L和C组成并联谐振，将谐振频率设在1.5MHz，由L1、C1 以及 L2、C2组成串联谐振，整个形成T型网路，实现了带通滤波。
图2 滤波电路
除了设计信号处理中的滤波电路外，对所有进出屏蔽盒的导线都实施了滤波措施。在导线穿透屏蔽体的地方，使用了馈通电容，并且在导线和电路端的地之间又连接了一个短引脚的云母电容。
3.2 屏蔽
在本次设计中采用了以铝为材料的壳体，对处于内部的仪器形成电场和磁场的保护层。众所周知，理想的屏蔽体应是一个封闭的、连续的导电壳体，没有开孔和接缝。然而实际使用中却因为要布线，很难达到真正的屏蔽。通过对屏蔽的不连续性对磁场感应电流影响的分析，这里没有采用矩形缝隙走线，而采用了在屏蔽盒多个面上开小孔的策略，并且使进出屏蔽体的导线的屏蔽层都360°连接到屏蔽盒上。这样做的好处是直接改善了系统对于电场和磁场的忍耐能力，增强了性能。
3.3 平衡电路
平衡电路是用于产生相同和相反信号的电路，将这些信号送入两个导线;电路的平衡特性越好，信号的散射就越小;它的噪声抑制特性也越好。
平衡电路抵消干扰信号的能力，是建立在信号波形和幅值严格对称，同、反相端电路增益严格一致的基础上的，理论上，理想的平衡放大器对感应噪声具有无穷大的抑制比，可以将干扰信号完全抵消，但在实际应用中，平衡电路由于增益误差等原因，抗干扰能力不可能达到理想值，甚至会产生一些新的失真和噪音。
但即使这样，相对于单端电路只能采用加强屏蔽和进行电源滤波来降低干扰来讲，平衡电路仍不失为一种主动式、积极有效的抗干扰措施，在恶劣电磁环境、长距离传输时优势非常明显。
4.结论
超声波流量计的设计和使用过程中，各种噪声对其测量精度有较大影响，本文通过采用滤波、屏蔽、平衡电路等方式对流量计电路进行了改良，产品已经在现场得到使用，取得了明显的效果。
参考文献
[1]张俊.基于DSP的超声波流量计[D].南京航空航天大学，2005.
[2]王茜.流量计的应用现状及发展趋势[J].科技信息（科学教研），2008（03）.
[3]姜彩明，江景涛.基于小波分析的信号噪声的处理[J].仪器仪表用户，2010（02）.
超声波流量计篇（7）
1、FPSO外输计量系统概述
FPSO原油计量和标定系统主要由计量撬、标定撬和控制系统三部分组成。设计采取三用一备的方式运行，每路外输管线的计量能力可达1800 m?/h，它的功能是将储油轮油舱中的原油输送至驳油轮的过程中（图 1），对原油进行精度达千分之二的精确计量和控制，为原油贸易结算提供可靠的依据；同时具备自动取样功能。
计量撬主要由DANIEL 3804超声波流量计、电动马达阀（DBB阀）、流量控制阀、自动取样器、除气过滤器、温度、压力变送器等组成；标定撬由福尔赫曼FAURE HERMAN 8500涡轮流量计、电动四通阀、电动马达阀、30寸球形体积管、两个500L的水标罐等组成；计量控制系统由上位机、五台流量计算机、两个控制盘等设备组成。
2、超声波流量计在标定过程中出现的问题
2.1采用体积管法和主表法结合的方式标定超声波流量计
FPSO的原油外输计量系统首次使用超声波流量计用于原油外输的外贸计量；用30寸球形体积管标定超声波流量计，其中流量计采用DANIEL 3804超声波流量计，它的标定原理是用球形体积管对每台流量计进行标定，当球形体积管内的球在30寸的管道内运行一周排出的液体量和超声波流量计的读数进行比较。然后通过四通阀的换向实现流程的切换。每台流量计连续标定5～10次，每次结果都要在允许误差范围以内。
厂家原设计方案中使用体积管直接标定超声波流量计，通过多方调研，与国家石油天然气大流量计量站、厂家讨论液体超声波流量计的标定方式，考虑到首次使用超声波流量计存在一定标定风险。因此在设计时特别要求在标定回路总管增加一个12寸的涡轮流量计以便在体积管直接标液超不合格时进行等精度传递法标定。涡轮流量计作为主表，用于量值传递，先用球形体积管标定涡轮流量计，再用涡轮流量计标定液体超声波流量计，使用涡轮流量计标定液体超声波流量计可以得到更好的重复性数据。液体超声波流量计由于其工作原理与传统的体积流量计或者涡轮流量计不一样，超声波流量计的输出信号是不均匀的，需要通过流速和数学模型进行计算。如果使用球形体积管标定液体超声波流量计重复性精度在流量计精度的1/3以内，（0.15%*1/3=0.05%），可能影响原油外输计量标定撬取得国家石油天然气大流量计量站的标定证书。为了保证计量标定的取证工作顺利完成，以及参考国内成功经验做法；因此选用体积管法和主表法结合的方式标定超声波流量计，即等精度传递法。
也就是说，标准表法流量标准装置的准确度同上一级标准装置的准确度大致相等。同理，用该标准表法流量标准装置检定其它流量计也可以得到相似的结果。只要该流量计的重复性足够好，就可用该流量计作为传递标准将流量量值传递给下一级流量标准装置或流量仪表。
2.2 球形体积管标定球的材质选用
此项目于2014年10月进油，经过现场多次测试过油标流程均正常，最后一次测试标定流程后将四通阀反向，确认管内原油将球顶到发球腔内，体积管电伴热一直打开，温度保持在50℃～60℃；
在进行油标取证时，将四通阀反向，LUSM和涡轮主表流速均保持在200m?/h，体积管进出口压力与LUSM处压力均为200kpa左右，排气并维持此流程约20分钟后开始正常标定流程，无法接收到检测开关信号，后经多次不同流量测试，均未能接收到检测开关信号；检查检测开关接线，并在现场进行短接测试，检测开关信号均正常；检查四通阀动作，观察现场阀位指示，正反向均动作正常；在500m?/h流速下，四通阀反向保持20分钟，后停泵，排油，打开发球腔，没有找到标定球；
怀疑标定球可能损坏，再次进行以下流程测试，观察是否能将球顶到发球腔内。在流速1200m3/h，压力200Kpa左右，四通阀反向，稳定运行约15分钟后停泵，泄压，打开发球腔，发现发球腔到四通阀直管段连接处有黄绿色残留物如下图，怀疑是标定球溶解残留。
由厂家参数表可知U-53最高耐受温度77℃，在实际使用过程中体积管温度将接近或者达到标定球的极限温度，是标定球损坏的一个诱因。
体积管水标时，油轮尚未出坞，船厂处于北方，年最高温度低于南海油轮工作环境，标定球不存在超温情况。当油轮到达工作海域后，南海气温高，加之计量撬电伴热双重作用，体积管内温度高于标定球最高使用温度，从而导致标定球损坏。
3、主表涡轮流量计的与S600数据传输问题
在进行油标取证过程中出现在线标定时主表（涡轮流量计）没有读数的情况。按照S600流量计算机中的说明，涡轮流量计典型接线：
调整回路中R阻值，观察到在电阻680欧姆时S600能正确接收脉冲信号，脉冲高电平在19.5VDC左右，但是只维持了约5分钟，就开始接收不稳定，时好时坏；调整电阻从100-1000欧姆，均未能解决此问题；经过排查，检查接地正常，按目前接线方式，可能受电磁干扰。
经分析认为，现场涡轮流量计距离流量计算机距离较远。流量计安装在现场，流量计算机安装于中控机柜。二者直线距离为129米，电缆长度更长。而且电缆敷设使用电缆桥架方式，多个设备，多种类型电缆均有敷设在一起。3.9V的脉冲电压极易受到干扰，造成流量计算机检测不到。因此较为实际的方法是提高脉冲电平。由于计量撬处于2类危险区，在原设计选型中脉冲放大器选用的是FUER HERMAN FH71-STD（标准型），该型放大器最大的优点是满足本安标准，适于危险区使用。缺点是电平较低。如果需要较高电平则需要选择3线制（OC开路）方案，该方案涡轮流量计脉冲放大器采用FH71-OC型。优点是流量计算器脉冲输入端获得的电平较高，干扰影响小。缺点是FH71-OC不符合本安要求，安装于2类危险区时需要安装在防爆接线盒内。OC开路方案接线图。
采取OC开路方案后实测到S600流量计算机脉冲输入端，脉冲高电平为12V左右。导通流程测试涡轮流量计自始至终没有出现流量为零情况，主表涡轮流量计的与S600数据传输问题得到解决。
2.4 取样系统存在循环取样积水情况
外输原油经取样循环泵一部分返回主管线，另一部分流入采样系统。采样系统根据外输流量，自动控制气体取样泵按照计算的取样间隔进行取样。由图中所示，主循环管线为6”，取样管线为1“。当外输结束后一部分油品残留于循环管线和取样管线中。在设备静置期间，由于管线伴热的加热，残留油品产生了油水分离现象。分离的水份积聚于取样管线低点处。当下次外输时积聚的水份被循环至取样柜随即被取样泵抽入取样桶，导致外输开始时取的油样含水过高，从而影响整批油样含水量。在第三次外输作业过程中，由于没有进行取样系统的排残工作，出现取样含水超过3%的情况，正常值是小于0.5%，。实践证明在下次外输开始前对取样管线中的残液进行放残，可有效减少水份被取入取样系统的数量。原系统中设计了低点排放，但是是作为管线和设备维修时排放使用。排放出的残液需要人工收集，不便于操作，需要对其进行改造。改造方案：在原有排放点基础上将出口加装管线延伸至闭排管汇。在外输开始前打开排液阀门，使排出的残液直接进入闭排，防止取样管线存水。在实际使用中又发现，外输开始前各个阀门处于关闭状态，打开排液阀门利用重力排残，时间过长，效果不佳。而且闭排管汇入口高于排液管线出口，导致仍有一部分液体残留在管线中。结合每次外输前均需要对管线充氮气进行气密保压这一情况，利用充气开始前或者结束后泄压的时机，使用氮气将取样管线中最后残留的液体吹除，可取得较好的排残效果。经过排残操作，清空了管线中的残液，减少了水份进入取样系统的机会，保证所取油样的准确性和可靠性，利用商业结算避免了商业纠纷。
3、结束语
本文通过对超声波流量计首次在FPSO外输计量的应用中出现的问题跟踪和处理，对于液体超声波流量计在FPSO外输计量的应用和设计选型时应考虑：现阶段体积管直接标定超声波流量计还存在不稳定的现象，为了避免无法取证的风险可采用等精度传递的标定方案；球形体积管标定球的材质选用考虑电伴热和夏季高温的情况，选用耐高温材质的标定球；在主表涡轮流量计的选择方面，考虑外界的干扰因素，可采用高电平的抗干扰能力强三线制流量计；自动取样系统的设计中，要考虑残液的排放和吹扫的问题，避免出现贸易纠纷的问题。
参考文献
1、JJG 667-2010，中华人民共和国国家计量检定规程――液体容积式流量计检定规程[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2010
2、孙策，安树民.液体超声波流量计检定方法[C].2010’中国油气计量技术论坛论文集，北京：2010
3、何骁勇，徐正海，FPSO原油外输计量标定系统的选型与设计[C].2013’
4、梁国伟，盛健，流量仪表等精度传递的实验研究和准确度分析[C] 2001’
超声波流量计篇（8）
中图分类号： TN710?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）07?0108?03
0 引 言
油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层本身能量将不断地被消耗，致使油层压力不断地下降，油井产量大大减少，甚至会停喷停产，造成地下残留大量死油无法开采。为了弥补原油被采出后所造成的地下亏空，实现油田高产稳产，必须对油田进行注水，以补充和保持油层压力[1]。这个过程必须实时监控注水量，以防注水过多而井喷。由于注水管深至地下数百米甚至上千米，超声波流量计的高精度，测量速度快等很多优点适合这一测量领域。现在广泛应用的管外超声测量不切实际，故本论文的设计都是基于管内超声测量。
1 相关法测流量理论依据
超声波流量计根据测量原理的不同，可分为基于传播速度差法（时差法、相位差法、频差法）、波束偏移法、多普勒法等类型[2]。传播速度差法是利用超声波信号顺流和逆流传播速度差来反映流体流速的方法。其中最典型的为时差法，在进行测量时使用一对超声波换能器，顺逆流交互进行收发、发收的操作，通过超声波信号相邻两次方向相反的传播的时间差获取流体流速。
相关法本身具有一定的去噪声能力，在后期处理的时候不受这种噪声的影响，在时间差的处理上有很大的优势。基于相关法测量时间差的流量测量方式有精度高，传感器结构简单等优点[3?4]。
相关表达了某两种特征量数值之间的关联程度。互相关函数的定义为[5]：
[Rxy（τ）=lim 1T0Tx（t）y（t+τ）dt] （1）
式中：[x（t）]和[y（t）]是两随机信号样本。
可以看出，在管内沿管道轴线相距[L]的截面上安装一对超声波换能器。工作时，发射换能器向被测流体发射一定幅度的能量束，当被测流体在管道内流动时，流动噪声调制传感器发出的能量束[x（t）]，接收换能器检测到引起调制作用的随机信号[y（t）]，由相关理论可计算出这两个信号的互相关函数[Rxy（τ）]的值，该函数峰值位置所对应的时间位移[τ]就是随机信号在该系统中的传递时间（即流体的流动时间）[6?7]。
相关法测流量原理
相关法主要是指两路信号之间的相似性，其中一路信号较另一路信号有一个时间上的延迟。但做实际相关时，等振幅信号相关后会出现时间差值无法准确体现的问题，
正弦信号的发射接收波形及相关函数
如上分析，当发射单一波形的时候，时间相差一个周期的波形与原来波形做相关运算的结果相同，无法确定波形时差。当发射波形如图3所示的特殊波形时，做相关运算后可以确定波形之间的时间差值。
2 发射电路设计
超声波发射电路如图4所示。当脉冲选择的占空比不同时，场效应管开关时间不同，使其发射波形有幅值的变化。当占空比大的时候，场效应管开通时间长，通过的能量大，选通频谱多，接收到的波形幅值大，相反波形幅值小[8]。
不等振幅特殊信号的相关函数
发射电路电路图
2.1 场效应管驱动芯片
TC4421是场效应管驱动芯片，输入信号是脉冲信号，输出信号为输入信号的反向，因为电路设计的是当场效应管截止的时候，超声波探头才开始工作。即是当有高电平信号的时候，TC4421输出为低电平信号，场效应管截止，漏极和源极之间可视为断路，超声波探头工作，发出超声波信号；当输有低电平信号的时候，TC4421输出为高电平信号，场效应管导通，漏极和源极之间可视为短路。超声波探头不工作，不发射超声波信号。
2.2 场效应管电路
所示，在场效应管导通的时候，电流经过电阻R和场效应管流入地。当场效应管截止的时候，电流经过电阻R和超声波探头在流入地，此时探头工作。所以电阻R的选择很关键，如果阻值过大，在探头工作的时候，作用在探头上的功率就小，可以使探头无法正常工作；如果阻值过小，流过场效应管的电流太大，长时间使用，会导致场效应管温度过高。在本次设计中，电阻[R]取值为20 Ω。
另一方面，当场效应管导通的时候，电阻R的功率（单位：W）为：
[P=U2R=12220=7.2] （2）
而传统碳膜电阻的功率也就0.5 W，而水泥电阻的阻值普遍较小。这里使用大功率碳膜电阻，它的功率能达到2 W。采用4个电阻并联连接方式。该组并联电阻的总功率能达到8 W，符合电路设计要求。
场效应管部分电路
3 驱动脉冲设计
根据超声波换能器的工作特性，当有高电平信号激发探头的时候，探头就会发出正弦波一样的超声波信号，就算激励信号停止了，超声波换能器中的压电陶瓷片仍会继续振动，就会发出一系列的衰减正弦波信号。如图6所示。
超声波探头衰减信号
可以看出，停止激励，探头也会发出一定周期数的衰减信号，该衰减信号的振幅是逐渐变小的，这正是适用于相关运算的调制信号。
探头的固有频率是40 kHz，所以驱动激励的频率也必须是40 kHz，即周期是25 μs。但只给一个激励的话，也就是12.5 μs的高电平。高电平激励出来的超声波波形很不规则，说明该信号的频率特性不是很强[9]。克服这一缺陷的方法就是连续发多个激励脉冲激发超声波探头。但是由于课题设计要求管内两探头之间的距离为20 cm，该超声波周期为25 μs，即该信号在水中的波长为3.75 cm，所以连续发射的激励脉冲不能超过5个。由图6可以看出，前3～4组的衰减信号的波形最稳定。所以设计连续发送3个激励脉冲，这样可以保证超声波发射信号有三个周期是稳定信号，也就是振幅不变的信号。后面会跟3～4组的衰减信号。这样的衰减信号适用于相关运算。FPGA发出的激励脉冲信号
FPGA发出的激励脉冲信号
所示的超声波激励脉冲激励超声波探头，从示波器可以看出超声波发出的信号前三个是稳定的正弦波信号，随后跟着诺干振幅越来越小的特殊信号，
FPGA的激励信号和收到的超声信号
4 结 论
本文针对竖直管内超声波流量测量，提出了一种超声波发射电路设计，介绍了测量流量的原理，分析了相关运算在该系统的应用方法，提出并通过FPGA实现了一种更适合相关运算的驱动脉冲。通过实验验证，发射电路运行可靠，可以达到设计标准，超声波换能器发出振幅变化的正弦波。收到信号进行相关运算后的计算值与实际值误差小，提高所求时间差的精度，实现了流量计算的高精度。
参考文献
[1] 李颖川.采油工程[M].北京：石油工业出版社，2002.
[2] 梁国伟，蔡武昌.流量测量技术及仪表[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3] ZHANG Hai?lan， LIN Wei?jun， ZHANG Cheng?yu， et al. An ultrasonic flowmeter in production boreholes of oil fields [J]. Ultrasonic Symposium， 2005， 3（9）： 1496?1499.
[4] WANG Yu?hui， DAI Ju. High?speed data sampling based on FPGA and its application in flowermeter [C]// Proceedings of WASE International Conference on Information Engineering. [S.l.]： ICIE， 2009： 24?27.
[5] 田欣为.随机函数理论及其在自动控制中的应用[M].北京：科学出版社，1966.
[6] 周会映.相关超声波流量计中相关器的硬件实现[D].成都：电子科技大学，2008.
超声波流量计篇（9）
超声波流量计传感器的安装误差对测量结果影响很大，两个传感器之间的距离有严格的要求，一定要按规定的尺寸安装。
图1是fuji electric便携式流量计v型安装示意。经安徽省大流量计量站检定（标准装置准确度±0.05%，流量稳定度优于0.05%）, 该表准确度为1.0级。将该表安装在内径d=150mm，外径d=159mm，壁厚h=4.5mm的管道上进行测试时，仪表指示探头距离l=112.04mm。测量时流量保持不变，其它测试条件相同，只改变传感器之间的距离l,测得数据列入表1。
表1 探头安装距离误差±1mm时的流量测量数据
l（mm)
流量(m3/h)
平均流量
111.04
106.0
105.9
106.2
105.8
106.0
106.2
105.7
105.8
106.0
105.8
105.94
112.04
107.4
107.6
107.9
107.1
106.9
107.2
107.4
106.9
107.2
106.8
107.24
113.04
108.7
107.9
107.8
108.5
109.0
108.8
109.1
107.9
108.7
108.8
108.52
当探头的距离有±1mm的误差，即l的相对误差为：(±1/112.04)×100%=±0.893%。当探头距离为111.04mm时，流量的相对误差为：［(105.94-107.24)/107.24］×100%=-1.21%;当探头的距离为113.04mm时，流量的相对误差为： [(108.52-107.24)/107.24］×100%=1.19%
可见，传感器之间的安装距离误差对测量结果的影响非常大，所以安装时一定要把距离误差控制到最小。
2.管道外径误差导致的流量测量误差
管道外径误差对便携式超声波流量计测量的影响，用实际管道外径d=159mm+1mm的方式进行。测量时流体保持稳定，其它测量条件相同。测试数据见表2。
表2 管道外径d测量误差±1mm时的流量测量数据 d(mm)
流量(m3/h)
平均流量
158
106.1
106.2
106.0
106.5
105.9
106.3
106.5
106.6
105.8
106.1
106.10
159
107.8
107.4
108.2
108.1
108.3
108.2
107.6
107.8
108.2
108.3
107.99
160
109.4
110.0
110.1
110.0
109.9
110.2
109.5
109.6
110.2
109.6
109.80
当外径有±1mm的误差时，外径d相对误差为：(±1/159)×100%=±0.63%。当外径取为158mm时，流量的相对误差为：［(106.1-107.99)/107.99］×100%=-1.75%。当外径取为160mm时，流量的相对误差为：［(109.8-107.99)/107.99］×100%=1.68%
可见，流量测量误差大约为管外径误差的2倍多。为了减小管外径误差的影响，一般把实测外径输入流量计，这样可减小外径误差对测量结果的影响。
3.管道壁厚h导致的误差
管道壁厚误差对便携式超声波流量计测量的影响，用实际管道壁厚h=4.5mm+1mm进行测试。测量时流体保持稳定，其它测量条件相同。测试数据见表3。
表3 管道壁厚h测量误差±1mm时的流量测量数据 h(mm)
流量(m3/h
平均流量
3.5
110.2
110.1
110.3
110.5
110.9
110.4
110.8
110.7
110.3
110.5
110.47
4.5
108.5
108.2
108.4
107.9
108.1
107.6
108.2
108.0
109.0
107.6
108.15
5.5
105.5
105.3
105.1
105.5
105.3
105.2
105.0
105.2
105.3
106.0
105.34
壁厚误差直接导致内径误差。壁厚有±1mm的误差时，内径相对误差分别为（+2/159）×100%=+1.26%。壁厚取3.5mm时,流量的相对误差为：［(110.47-108.15)/108.15］×100%=2.15%。壁厚取5.5mm时，流量的相对误差为：［(105.34-108.15)/108.15］×100%=-2.60%。在实际测量中，壁厚导致内径误差的影响不可忽视。本实验中，流量测量的误差约为管道内径误差的2倍。
4.测量直管段要求
由超声波流量计的测量原理可知，传感器所测量的流速是流体的线速度。只有流速分布均匀才能保证测量的准确度，所以在流量计的上下游要有足够的直管段。一般要求上游有5-10倍管径的直管段，下游有3-5倍管径的直管段。
结论
从超声波流量计的特点及管道参数对便携式超声波流量计测量影响的误差分析中，可以看出：
1、超声波流量计在大口径管道的流量测量中有其独特的优势，是一种方便可靠的测量手段，有着广泛应用前景。
超声波流量计篇（10）
一、时差式气体超声波流量计的工作原理
气体超声波流量计的是利用超声波在流体中沿顺流传播的时间和沿逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。工作原理见图1。
图1中，气体超声波流量计的换能器A和换能器B装在管道两侧，超声波的声程长度为L，超声波传播的方向与流体在管道中的流动方向夹角为θ，超声波在流体中的顺流传播时间为tD，逆流传播时间为tU。
（1）
（2）
式中：
c――超声波在静止流体中的声速，
V――流体介质的流动速度。
联立解方程（1）和方程（2）可得：
（3）
式中：
X――换能器A和换能器B在水平方向上的距离。
从式（3）中可以看出，气体的流速测量与介质的声速无关，只与长度和时间两个参数有关。
二、气体超声波流量计计量出现误差的原因
（一）噪声对气体超声波流量计准确度影响。
噪声的来源主要有环境噪声和气流经过没有全开的阀门时节流的噪声。我们采用气体超声波流量计上游阀门1节流控制流量大小时，节流的声音随着流量的增大而增大，气体超声波流量计与标准孔板流量计的相对误差也逐步增大，气体超声波流量计的流量低于标准孔板流量计流量。当阀门1全开，用阀门2控制流量大小的时候，气体超声波流量计的信噪比较大且基本保持不变，气体超声波流量计与标准孔板流量计的相对误差基本保持不变。当采用上游阀门1节流的时候，气体超声波流量计的信噪比明显低于上游阀门全开的时候。这是因为，当气体超声波流量计上游阀门节流时除了能产生我们能听到的声音外还能产生人耳无法听到高频超声波，当这种声波的频率与气体超声波流量计的工作频率相近的时对气体超声波流量计的准确度产生的影响。
（二）流态对气体超声波流量计的影响。
GB/T 18604-2001《用气体超声波流量计测量天然气流量》要求气体超声波流量计上游直管段最少为10D，下游直管段至少为5D，保证进入流量计的天然气流态是对称的充分发展的紊流速度分布而计量管路中的阀门等阻流件会对天然气的速度分布产生影响，从而影响测量的准确度。当阀门1节流时，随着流量的增大，天然气在管道中的流速分布越来越不均匀，反应在超声波通道的流速大于通道的流速。符合标准规定的流态。因为当天然气经过没有完全开启的闸阀时，天然气由于阀门闸板的阻挡产生与管道中心轴不对称的旋转气流，经过发展成为漩涡流。
（三）气质对气体超声波流量计的影响。
气体超声波流量计对于我们来说是一个全新的流量计，我们以前只是从理论上对其有一定的了解，而对它的实际工作性能并不了解。我们知道气体超声波流量计对气质条件要求不严格。用于工业环境下连续测量不含大浓度悬浮粒子或气体的大多数清洁均质液体的流量。对于含有液体和少量粉尘的气体在使用中应该注意。
在使用过程中，我们发现气体超声波流量计的流量和标准孔板流量计相比偏高。使用CUI软件进行气体超声波流量计的诊断时发现气体超声波流量计的D通道不工作，检查后发现，气体超声波流量计的D通道被天然气中凝析出的液体淹没了，导致换能器工作不正常。经排除积存在管道中的液体后气体超声波流量计工作正常。多声道的气体超声波流量计能够在一个声道不工作的时候根据其他声道测得的流量自动进行补偿运算，这个补偿过程使流量计的流量输出比正常时略有偏高。
天然气中的粉尘也对气体超声波流量计的工作性能有影响。我们在使用气体超声波流量计的过程中出现过一次气体超声波流量计的换能器由于粉尘堆积而导致气体超声波流量计工作不正常的情况。原因是由于我们的一个气源由于上游的处理厂开机不正常，分子筛中的粉尘被带人气体超声波流量计的工作流程中，在气体超声波流量计最底部的换能器和表体的结合处堆积，导致气体超声波流量计的工作不正常。
三、气体超声波流量计应用中应注意的问题
根据我们在现场使用气体超声波流量计进行天然气计量中进行的实验记录的数据分析，气体超声波流量计的确有很多优点，同时气体超声波流量计在应用中应该注意以下这些问题：
（一）正确选型
任何流量计有它自身的测量范围，气体超声波流量计测量范围很宽，一般说来最小流量和最大流量比为1：30。气体超声波流量计主要是利用测量天然气的流速来测量天然气的流量。其理想的工作流速范围为（2.7～27）m/s，在这个工作范围内，气体超声波流量计才能保证其检定时的准确度。天然气的流量低于气体超声波流量计的流量拐点时，气体超声波流量计的准确度将降低，从而出现较大的误差。天然气的流速过高时会出现超声波信号被吹跑，换能器检测不到超声波信号的情况，出现计量故障。所以，我们在进行气体超声波流量计的选型是应该充分考虑天然气在管道中的流速，避免出现超低限和超高限运行的情况。
选用气体超声波流量计作为计量装置时还应考虑是否存在声波干扰源，主要指能产生超声波信号的各种设备，如消音设备。消音设备常常是将人们耳朵能够听见的的声波转换成为人耳不能听到的超声波，如果消音设备的超声波频率与气体超声波流量计的工作频率接近时将造成超声波流量计工作不正常，甚至完全不工作，因此，我们选用、安装气体超声波流量计的时候应该避开存在对流量计产生影响的声波的场合。
（二）合理的安装
气体超声波流量计安装方式应该水平安装，此外，在天然气含液较多的场合，气体超声波流量计及其计量管段的安装位置不应低于其上下游管道，使得天然气中凝析出来的液体能够随气流被带走，而不在气体超声波流量计处堆积，造成计量故障，对于含有大量固体粉尘的天然气应该给气体超声波流量计上游直管段外加装过滤器，否则气体超声波流量计会因为换能器表面沉积物的堆积影响流量计的正常工作。
（三）定期维护
气体超声波流量计使用过程中需要的维护很少，但在气质条件较差的计量场合，应定期清洗气体超声波流量计的换能器，检查有无杂质和水垢等附着换能器表面。气体超声波流量计的各连接件是否泄漏，定期检查线路连接是否正常等。
（四）及时诊断测试
