浅谈超声波流量计的使用与维护

 气体超声波流量计测量原理简单，但测量理论并不简单，它是与现代电子积分和计算技术相结合的高科技产品。自从1986年第一台时差气体超声波流量计应用于天然气流量计量以来，一直得到人们的推崇。由于当时天然气流量标准装置不能满足对高压。大流量气体超声波流量计的性能进行评价和研究，在一定程度上限制了它的使用。随着北美三大天然气流量标定装置（GRT/TCC和CEEI）的建成和投产，加速了对高压大流量气体超声波流量计的性能进行评价和研究，同时促进了气体超声波流量计在天然气流量计量中的应用，国家现在对GB/T 18604用气体超声波流量计测量天然气流量这个标准进行了实施，这也说明了对用超声波流量计计量天然气的认可与规范。
 
    气体超声波流量计价格昂贵，且大部分为进口的流量计，如何正确的使用与维护它是我们流量计量管理中的一项重要内容。

    一、安装环境

    1、环境温度

    高寒、高热环境既有可能缩短仪表的使用寿命，更有可能损害仪表的测量性能，因此，任何测量仪表都会对外界环境温度的适应能力做出自身的具体规定。根据AGA.NO.9号报告的要求及现有材料、设备的加T制造水平，本标准对气体超声波流量计提出了-25～55℃的使用环境温度要求。

    另外，在某些特殊情况下（比如，被测介质与外界环境之间的温差较大并且测试流量较低），为预防外界环境温度对测量结果造成的附加影响，建议对仪表及其上下游的测量管加装遮雨防晒设施或者采取必要的隔热保温措施。

    2、振动

    超声波流量计虽然在出厂前都经过了严格的机械振动试验，但是作为一种精密的测量仪表，如果长期在靠近振动源或具有振动的环境中使用，其测量性能及寿命都有可能受到严重的影响。因此，唯一的方法就是远离或消除振动。

    3、电气噪声

    超声波流量计作为一种以微电技术为基础的高精度测量设备，虽然其本身具有一定的抗外界电磁和电子干扰的能力，但是安装现场往往复杂多变，如果不对使用环境中的“电气噪声”提出要求，那么在设计和安装时就有可能由于疏忽将其置于电磁场合电子干扰环境之中，比如变压器或固定的无线通讯场所附近，仪表测量的准确性及工作的可靠性就因此可能受到影响。

    二、管道配置

    1、对双向流测量场合的管道配置

    所谓“双向流测量”就是指使用同一套流量计实现被测介质正输和反输时的流量测量。也就是说，这个时期正输时的仪表上游就是下个时期返输时的仪表下游。地下储气库或者目前大中型城市通常用作调峰手段的储气罐就需要这种具有双向测量功能的计量仪表。这正是超声波流量计独到的特点。因此，当超声波流量计应用于双向流测量场合就必须将其“下游”按“上游”的要求进行同等对待，这也是实现超声波流量计双向、等精度测量的重要前提。

    2、直管段长度要求

    在天然气流量测量过程中，流量计上下游阻力件的存在就必然要破坏被测介质的流动状态.相应地就会增大流量测量的误差或不确定度，其大小将取决于速度分布畸变的严重程度、变化形式以及流量计本身对这种畸变的补偿能力。

    为了降低不良流态对测量结果的影响，在流量计上下游安装一定长度的直管段就是一种常见的基本手段。从准确计量的角度来看，上下游直管段长度越长改善流量计测量性能的效果就越明显。但是，测量现场往往由于受场地、材料供应以及建设施工成本等诸多客观因素的限制.又期望该长度越短越好。因此.兼顾这两方面的愿望并提出最低限度的直管段长度要求也是GB/T 18604-2001标准的主要任务之一。

    为了体现标准应具有可操作性这一特点，根据上述标准或报告的建议，同时也结合国内生产现场的实际情况，另外也参考了部分超声波流量计生产厂商的意见，在本标准中就尝试性地给出了一个有关超声波流量计上下游直管段长度配置的技术规定或要求，即：在不需安装整流器的情况下，多声道超声波流量计上游的最短直管段长度应为10D，下游最短直管段长度应为5D：如果使用整流器，则整流器的安装位置及相应的配管长度应咨询生产厂商。基于孔板流量计也需要被测介质的流态应达到充分发展的速度分布这一要求。因此，在GB/T 18604-2001标准中，对单声道超声波流量计的上下游直管段长度要求及阻力件形式就完全等同采用了GB/T 2624-1993相关规定.并取其孔径比β=0.75时所对应的数据。至于“任何其它形式的阻力件”所需的最短上游直管段数据（145D）则来源于美国石油学会（API）及美国天然气协会（AGA）在孔板流量计方面的最新实验研究成果。

    3、对直管段的质量要求

    （1）台阶及凸入物

    在超声波流量计上下游所要求的最短直管段长度范围内出现的任何台阶及其它凸入物都将引起被测介质流态的改变，从而增大流量测量的不确定度（研究资料表明，超声波流量计上下游附近处如果存在0.01D的台阶，由此引起的测量偏差将达到或超过0.05%）。但事实上，只要对所用配管进行认真选择，或者根据现场的管道条件对制造厂商提出所用超声波流量计必需达到的内径要求等手段，就可以避免各连接点台阶的出现，从而实现直管段与超声波流量计之间的等径连接或良好匹配；另外，在施工组装过程中，采取将连接的内壁焊缝打磨平整或适当扩大连接的垫片内圈直径等措施也可以避免凸入物及其它扰动性杂物障碍。因此，对台阶及凸入物的限制既是必要的，也是可行的。

    （2）内表面

    如果在流量计本体内部及其测量管内壁存在着锈蚀、油污或硫化铁粉等其它附属物.一方面可能会改变测量管道的实际内径，另一方面又可能会增大测量管内壁的平均粗糙度。其次也可能会导致声波（脉冲信号）在表体内壁反射时出现发散和衰减现象。所有这些因素都有可能对测量结果造成严重的影响（ISO/WD17089认为.由此造成的测量偏差有可能超过1%），因此对表体及测量管内表面提出要求和限制也是实现准确计量的基本前提之一（基于前述分析，GB/T 18604-2001用气体超声波流量计测量天然气流量这个标准对气体过滤也提出了相应要求）。

    4、温度计安装

    温度计的安装应主要考虑如下三点：

    （1）感温元件应有足够的长度，以保证被测介质与测温元件之间有充分的接触面积；

    （2）对流态造成的影响尽可能地小；

    （3）在正常的测量过程中不会因气流冲刷等原因引起感温元件的折断或其它机械损伤。

    因此结合上述分析并参考了孔板流量计及AGA NO.9号报告的相关规定，提出了本标准就温度计安装方面的具体要求。

    5、声学噪声干扰

    超声波流量计是一种以声学原理为基础的测量仪表.因此现有的超声波流量计对于噪声，特别是对来源于被测介质内部由于高速度、大压差等减压设备造成的超高频噪声尤为敏感（关于阀门噪声的估算方法可参见ISO/WD17089附录A中的有关内容），从而影响到该种流量计的正常运行。因此，为了确保超声波流量计的正常工作，最为有效的方法就是远离噪声源或咨询制造厂家f有研究资料表明.在流量计与噪声源之间加装一个U型弯管或直角弯头可以消除或减弱这方面的影响，但是这一观点尚未得到有关权威机构或技术标准的认可）。

    6、整流器的作用

    一般来说，安装整流器可以在一定程度上改善超声波流量计上下游的测量条件，因此也有助于提高测量结果的准确性，尤其是对单声道超声波流量计而言。其效果可能会更为明显。但是，如果整流器造型不当、加工质量不高，或者安装及使用维护不妥。又有可能增大测量偏差而造成事与愿违的后果。

    因此，在超声波流量计应用现场的设计及安装过程中，必须具体问题、具体分析。也就是说，应当针对所选流量计的种类、上游流态的畸变形式、严重程度以及对流量测量准确性要求的高低来决定是否安装那种形式的整流器。

    7、流量计的安装方式

    从理论上讲，气体超声波流量计可以采用水平、垂直和倾斜等任意安装方式，并且可以沿表体管道边轴线作任意旋转。但是，在实际的安装过程中应当主要考虑到以下三个方面的因素；

    （1）流量计（特别是其中的超声换能器）是否便于检测和维修；

    （2）超声换能器是否易受气流中杂质和积液的影响；

    （3）问时至目前，任意安装方式是否可实现严格意义上的完全等精度测量尚未得到充分的实验验证。

    因此，GB/T 18604-2001用气体超声波流量计测量天然气流量标准推荐采用水平安装这种常规方式。

    三、现场使用、维护及管理

    1、一般操作

    由于超声波流量计本身存在的种类差别以及生产厂家的差别，因此具体的操作程序或方法应根据厂家的建议或说明书要求的方法进行。

    2、定期检测

    定期检测是提前预防和及时消除仪表故障的有效手段。如果定期检测的周期定的太长，那么有些问题就有可能得不到及时发现和处理；如果该周期定的过短，那么一方面会增加现场操作人员的工作难度，另一方面也有可能破坏部分机械及电子元件的原始性能测密封性），甚至还可能人为增加中断正常计量的故障时间。

    因此，在实际应用过程中，应根据现场的具体情况及制造厂家的建议来确定一个合理的定期检测的时间跨度。
 
    至于定期检测的内容及方法则应根据GB/T 18604-2001用气体超声波流量计测量天然气流量这个标准中第8.3款～9.2款的要求进行。这里需要重点说明的是生产现场关于零流量测试检查应当注意的几个问题（在 GB/T 18604-2001用气体超声波流量计测量天然气流量这个标准附录A中给出了该项工作详细的操作步骤）。

    部分生产现场由于难以将流量计从工艺管线上进行拆、装，对这种情况下的零流量测试检查，可以在完全关断上下游阀门的情况下进行。但是又必须同时保证；

    （1）所用阀门必须具备灵活的启闭特性和良好的关断性能。关断后的上下游阀门之间不得出现任何内漏和外漏现象；

    （2）为避免表体及管道内部流体的对流现象发生，介质温度与环境温度之差不宜过大，否则应采取隔热或保温措施；

    （3）在整修测试过程中，压力及温度应当保持稳定，并且其测量不确定度应当控制在Δp≤0.1%、δT≤0.2；

    （4）附近管道由于气体流动或其它机械振动对零流量测试检查所带来的负面影响应尽可能控制在较小的范围。

    3、检测报告

    现场检查或测试的最终目的是要让超声波流量计的管理者或使用者对该种设备的运行情况及性能有二个全过程、全方位的全面了解和认识。因此根据现场检查测试的具体情况出具正式的书面报告也就很有必要。报告的具体格式和内容一方面可参考GB/T 18604-2001用气体超声波流量计测量天然气流量这个标准第9.2款的要求，另一方面也可根据实际情况自行设计或作适当增删。