江苏金荷天然气流量计量的原理

应用超声波原理测量流量始于1928年，流量计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。从发展趋势来看，由于超声波流量计具有度高、涡街流量计性能稳定可靠、量程比大、管道中无检测件等特点，在工程应用及贸易中，大有*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，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！插入式电磁流量计 　　表1 流量计的性能比较 项目 孔板 涡街 涡轮 超声波 　　度（%） ±1 ±1 ±1 ±0.5 　　量程比 3：1 30:1 20:1 300:1 　　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 　　其测量原理电磁流量计A、B是安装在管道上的两个换能器（Transducer）,既可发射又可接受超声波。A牌上游，B牌下游，两者轴向距离为X，声道长度为L。从A向B发出的超声波顺流向到达B所需时间： 　　

1.流速测量 　　目前用超声波法来测气体流量，时差法几乎是*的选择。 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） 　　B接受信号后，向A返回的超声波信号为逆流向，所需时间为：电磁流量计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=1.119-0.011logRe （2） 　　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，这将降低许多示仪两部分组成。 　　

2.1涡轮流量计优点有：流量计量zui；重复性好；无零点漂移，抗*力强；范围度宽；结构紧凑。 　　涡轮流量计的缺点有：不能长期保持校准特性；流体物性对流量特性有较大影响。 　　涡轮流量计在石油、有机液体、无机液体、液化气、天然气和低温流通的测量上获得广泛应用。 　　

2.2 电磁流量计 　　电磁流量计以法拉第电磁感应定律测量流速，再利用某种方法测量流通截面液位高度，从而求得流通面积，两者相乘获得流量。电磁流量计具有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易解决的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。上世纪七八十年代电磁流量计在技术上取得了重大突破，使它成为应用广泛的一类流量计，使用率不断上升。 　　电磁流量计的优点有：测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体，如纸浆、泥浆、污水等；不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；所测得体积流量实际上不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率变化的明显影响；流量范围大，口径范围宽；可应用于腐蚀性流体。 　　电磁流量计的缺点：不能测量电导率很低的液体，如石油制品；不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；不能用于较高温度。电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径仪表常用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小口径和微小口径仪表常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。 　　

2.3涡街流量计 　　涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体，流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。按频率检出方式可分为应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等，它们是zui年轻的一类流量计，但发展迅速，目前已成为通用的一类流量计。 　　涡街流量计的优点有：结构简单牢固；适用流体种类多；精度较高；范围度宽；压损小。 　　涡街流量计的缺点有：不适用于低雷诺数测量；需较长直管段；仪表系数较低（与涡轮流量计相比）；仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。 　　

2.4 超声流量计 　　适用于天然气存储交接计量的超声流量计，由于超声波在固体与气体界面上的传播效率低，管道外夹装*（探头）难以从管壁传送足够的声能，因此目前还没有外夹装式气体超声比较稍差。 　　3）.涡轮流量计目前部分厂家推出卫生型涡轮流量计，多数为法兰夹装，也有卡箍式结构的，测量精度与电磁相当，由于禁油必须采用密封轴承，须定期更换。 　　4）.质量流量计 　　在计量精度要求非常高的场合，质量流量计也有应用，如灌装工序中，对于CO2的计量，很多采用卫生型热式质量流量计。

食品行业流量计特点：1.测量精度要求高；2.表体材质不锈钢，防腐防锈；3.快装式结构方便清洗，维护。 　　

结论

由上述可知，流量计发展到今天虽然已日趋成熟，但其种类仍然极其繁多，至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。每种流量计都有其适用范围，也都有局限性。这就要求我们：　（1）在选择仪表时，一定要熟悉仪表和被测对象两方面的情况，并要兼顾考虑其它因素，这样测量才会准确；（2）努力研制新型仪表，使其在现有的基础上更加完善。