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時間：2023-02-16 16:38:33
序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇超聲波流量計范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。
1.輸氣站場流量測量的現(xiàn)狀分析
1.1流量測量的復雜性
與液體流量計量不同，由于氣體的可壓縮性，壓縮因子的確定較為復雜，導致氣體流量計量存在一定的復雜性；在計量過程中，對流經計量裝置處氣體的流態(tài)要求也比較高，在理想情況下，要求氣體流經計量裝置時，氣體流動方向保持與管道平行，氣體沿徑向均勻分布等，不能存在旋流或渦流等異常流態(tài)，但在實際中要達到絕對的理想狀態(tài)幾乎不可能。由于上述原因，造成輸氣站場流量測量工作復雜，在測量過程中，一方面要求測量結果具有一定的精確度，另一方面，又要求能夠滿足的經濟性的要求。
1.2目前輸氣站場所用流量計的種類和存在的問題
目前，長輸管道工藝站場的天然氣計量裝置主要有兩種形式，一是超聲波流量計量裝置，其主要由現(xiàn)場超聲波流量計、壓力變送器、溫度變送器、直管段、整流器和流量計算機等組成；二是渦輪計量裝置，主要由現(xiàn)場渦輪流量計、壓力變送器、溫度變送器、直管段和流量計算機等組成。
2.輸氣站場超聲波流量計的種類、工作原理及影響精確度的因素
2.1超聲波流量計的種類及工作原理
按照流量計的聲道數(shù)劃分，超聲波流量計可分為單聲道流量計和多聲道流量計兩種。為了保證計量精度，目前輸氣站場廣泛采用的是四聲道超聲波流量計。按照超聲波發(fā)生和接收過程劃分，超聲波流量計還可分為對射式和反射式兩種。例如，丹尼爾流量計多為對射式流量計，而阿爾斯特流量計一般為反射式流量計。
超聲波流量計工作的基本原理是，超聲波在天然氣中，沿氣體順流方向和逆流方向的傳播速度不同，通過測量兩個方向傳播的時間差，來計算出天然氣在管道中的流速，從而得出天然氣的瞬時流量。
2.2影響超聲波流量計精確度的主要因素
從理論上講，影響超聲波流量計量系統(tǒng)精確度的因素很多，直管段長度，溫壓變送器的安裝位置及精度，流量計本體內加工精度，換能器性能及聲道數(shù)等都與計量精度密切相關。
換能器（探頭）性能的好壞和聲道數(shù)是影響流量計準確度的重要因素。從理論上講，通過單聲道超聲波的發(fā)射和接收，就可計算出氣體流量，但實際天然氣在管道內的流動往往是不均勻分布的，這樣，只有通過多聲道流量計在不同截面的發(fā)射和接收，才能消除這種不均勻性，從而提高計量精度。
3.輸氣站場超聲波流量計的應用建議
3.1做好流量計的設備選型工作
輸氣站場環(huán)境復雜，在選用超聲波流量計時，應重點關注一下幾個方面。
一是要盡量選用多聲道流量計。目前天然氣輸氣站場用于貿易計量的流量計一般為四聲道超聲流量計，只有聲道數(shù)在四個以上時，才能滿足計量所需精度，減少與下游用戶的計量糾紛。
二是在流量計量程選擇上，要兼顧設備投用初期和遠期用氣量；兼顧日峰谷、年峰谷用氣量。由于超聲波流量計的量程比比較寬，在用戶流量范圍波動不是很大的情況下，根據(jù)計量管段壓力等級，通過合理的選擇流量計口徑，一般都能做到對上述不同流量值的兼顧。
3.2做好流量計量裝置的現(xiàn)場安裝和初始化配置工作
流量計現(xiàn)場安裝是否符合要求，對流量計量的準確性影響很大。首先，在直管段的安裝上，不能僅限于滿足設備廠商的技術要求，更重要的是要滿足行業(yè)的相關標準。設備廠家的技術要求是在理想狀態(tài)下提出的，而輸氣站場具有復雜多樣性，各種配套設備的安裝狀況、運行時的不同工況等都可能給準確計量帶來影響。建議超聲波流量計上下游直管段應滿足前30D、后40D，且上游安裝整流器的要求。另外，壓力、溫度取樣點的選擇也很重要，一般壓力的取樣點應選擇在流量計本體上，以便能準確測量流過流量計的天然氣壓力；溫度的取樣點一般選擇在流量計下游直管段5D左右處，這樣即能以減少溫度套管對氣體流態(tài)的影響，又能相對準確地反映實際氣體的溫度。
3.3做好流量計的日常維護工作
雖然，超聲流量計的日常維護工作量并不大，但也要重點做好以下幾點工作，一是要定期對探頭進行清理，污損的探頭對超聲波的發(fā)射和接收會造成影響，從而影響計量精度；二是要定期對流量計進行聲速核查，通過軟件檢查各探頭的工作情況，使流量計始終處于最佳工作狀態(tài)，確保計量準確。
3.4建立流量計遠程維護系統(tǒng)，延長流量計檢定周期，從而減少設備維護工作量
天然氣長輸管道具有距離長、社會依托差、遠離城市的特點，這就給系統(tǒng)維護帶來一定難度。為此，建立一套遠程維護系統(tǒng)是非常必要的。超聲波流量計遠程維護是以局域網和廣域網（或互連網）為基礎的一套遠程維護系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，輸氣站場需將流量計、流量計算機等設備組成局域網，并向上通過交換機、路由器等設備與廣域網（或互聯(lián)網）連接，這樣，在遠端就可通過網絡訪問到當?shù)氐牧髁坑嫽蛄髁坑嬎銠C，對其進行檢查、維護或修改配置等。按照國家相關規(guī)定，具備遠程維護能力的流量計，其檢定周期可以適當延長，從原來的兩年一檢延長到六年一檢，這樣就可大大減少設備維護工作量。
4.結束語
綜上所述，文章通過研究，基本明確了超聲波流量計在輸氣站場的應用方法，但鑒于輸氣站場環(huán)境的復雜性和多變性，因此以上方法在實際工作中的應用，仍然需要結合輸氣站場本身的計量條件和現(xiàn)狀，予以進一步彌補和完善，以提高超聲波流量計應用的實效性，為輸氣站場提供更為專業(yè)的計量技術。
參考文獻
[1]劉軍芳.氣體超聲波流量計診斷功能的實踐應用[J].中國科技博覽，2014，（5）：325.
【摘要】介紹了超聲波流量計的工作原理、結構、選型原則及安裝要求。
關鍵詞 超聲波流量計；結構；選型；安裝
1超聲波流量計的工作原理
超聲波流量計利用超聲波測量流量有許多種方法，其中典型的方法有時差法、聲循環(huán)法、多普勒法。本文主要介紹時差法超聲波流量計的工作原理，超聲波在流體中的傳播速度受到流體流速的影響，在流體順流方向和逆流方向是不一樣的，其傳播時間差和流體的流速成正比。只要測出超聲波在這兩個方向上傳播的時-間差，便可知流體的流速，再乘以管道截面積便可得流體的流量。具體計算公式如下：
超聲波在順流方向傳播時間t1為：
由上可知這時只要測得t1和t2，便可求得流體流速，流體流量。
2超聲波流量計的結構
超聲波流量計主要由換能器和控制器（變送器）兩部分構成。換能器有兩種，一種是發(fā)射換能器，另一種是接收換能器。發(fā)射換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收換能器接收到超聲波信號，通過傳輸線送到控制器（變送器）。控制器（變送器）的作用是將接收到的超聲波信號經電子線路放大并轉換為與被測流體體積流量成正比的電信號，進行顯示和累計計算，還可將信號進行遠傳進入DCS等控制系統(tǒng)。
3超聲波流量計的選型
為確保流量計正常投運，儀表選型至關重要。超聲波流量計根據(jù)換能器的安裝方法不同可分為外夾式超聲波流量計、插入式超聲波流量計和標準管段式超聲波流量計。超聲波流量計的選型主要是根據(jù)計量要求選擇適合的流量計。
（1）外夾式超聲波流量計，優(yōu)點：①外夾式超聲波流量計的換能器安裝在管道外面，不與被測流體直接接觸，不存在換能器腐蝕、粘結等問題；②測量時，在管道內部無任何測量部件，沒有壓力損失，不改變流體的流動狀態(tài)；③安裝簡單方便，管道不用切斷，不用開孔，安裝時不用停流；④可以便攜使用，便于對有懷疑的其他流量計進行比對。不足：①對管道條件要求較高，應確定管道材質、管道外徑、壁厚、襯里材質和厚度等；②測量精度相對低一些。
（2）插入式超聲波流量計，優(yōu)點：①安裝時不用停流，使用專用安裝工具在管道上開孔，換能器直接穿插在孔內；②與外夾式超聲波流量計相比，測量精度較高，不受管道銹蝕、結垢等的影響。不足：①換能器直接與被測流體接觸，易被腐蝕、結晶造成儀表測量不準確。
（3）標準管段式超聲波流量計，把換能器固定安裝在按照設計加工好的管段上，并且換能器直接與被測流體接觸。這種流量計能夠準確控制加工精度，同時可以精確測量管段的幾何尺寸，而且兩個換能器之間只有單一被測介質，所以測量準確度較高，但是，不足是安裝麻煩，需要斷流，割開管道安裝，而且對于大口徑管道定做價格較高，因此除非特殊要求一般不建議選用此種超聲波流量計。
綜上，超聲波流量計在選型時必須綜合考慮準確度、安裝條件、現(xiàn)場環(huán)境等，選擇適合的流量計。
4超聲波流量計的安裝
（1）測量點的選取：①測量點應盡量選擇距離上游10倍直徑、下游5倍直徑以內均勻直管段，以確保流體所需的流速分布；②流量計盡可能水平或垂直安裝，管內必須充滿流體，當換能器安裝在傾斜管道上時，不要裝在上部和底部，以免管道內的氣體或雜質進入測量聲道，應盡可能使換能器處于和水平面成45度角的范圍內；③對于外夾式超聲波流量計，測量點管道內壁不能有過厚結垢層，盡量選擇無結垢的管段且應具有良好的導聲性能；
（2）換能器安裝方式
①V法安裝
適用于管徑較小時，采用V法安裝擴大了聲程長度，增加了順逆向聲波傳播時間；
②Z法安裝
Z法安裝方式一般適用于DN200以上管道，使用Z法安裝時超聲波在管道中直接傳輸，沒有折射，信號衰耗小。
5超聲波流量計的應用
近年來，由于電子技術的進步，超聲波流量計發(fā)展很快，且日益完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。各種超聲波流量計已廣泛應用于工業(yè)生產、商業(yè)計量和水利檢測等方面，例如，在市政行業(yè)的原水、自來水、中水、污水的計量中，超聲波流量計具有大量程比，無壓損的特點，在保證測量準確度的同時提高了官網的輸水效率；在工業(yè)冷卻循環(huán)水的計量中，超聲波流量計實現(xiàn)了在線不斷流帶壓安裝和在線標定。
6結束語
綜上所述，超聲波流量計作為流量測量儀表，有其獨特的優(yōu)點，在很多領域得到了越來越廣泛的應用，特別是智能化超聲波流量計，采用微處理器和程序控制，且?guī)ㄓ嵔涌凇⒐δ芨鼜姟⒕幊谭奖悖蚨哂懈鼜姷纳Α５遣徽撈淙绾伟l(fā)展，如果設計選型及安裝不當，不僅無法發(fā)揮其優(yōu)越性，還會帶來損失。因此，在實際應用中，超聲波流量計的正確選型及安裝是極為重要的兩個環(huán)節(jié)，必須引起我們的重視。
參考文獻
0 概述
中洛線六個泵站自動控制系統(tǒng)就采用了超聲波流量計與氣動調節(jié)閥緊密配合進行自動調節(jié)控制，與泄漏定位系統(tǒng)配合實現(xiàn)精確定位。它準確可靠地工作對保證全中洛線自動控制系統(tǒng)的正常運行和安全生產有著重要的意義。
1 超聲波流量計簡介
超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術迅速發(fā)展才開始應用的儀表，技術成熟領先、性價比高。特別是管道式一體型超聲波流量計，應用范圍廣泛，測量聲道可達3個，穩(wěn)定性和可靠性高，可在線檢定，操作和維護成本非常低，性價比高，精度可達±0.3%。它采用先進 “時差法”測量原理，利用超聲波脈沖在通過液體順逆兩方向上傳播速度之差來求圓管內液體的流量，幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響。
2 超聲波流量計工作原理
當超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間產生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，其關系符合下列表達式：
其中，θ為聲束與液體流動方向的夾角，M 為聲束在液體的直線傳播次數(shù)；D 為管道直徑，Tup 為聲束在正方向上的傳播時間，Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間，ΔT=Tup-Tdown
3 與調節(jié)閥配合實現(xiàn)自動配輸
自動配比輸油系統(tǒng)是由給油泵、電機、電動閥門、超聲波流量計、配輸調節(jié)閥組成。自動配輸通過超聲波流量計流量計和配輸調節(jié)閥來實現(xiàn)，其工作流程是中洛線進口油、中原油分別經過進口油管線、中原油管線進入濮陽首站，分別進入兩條配輸管道，經過超聲波流量計給調節(jié)閥提供精確地介質流量實現(xiàn)自動調節(jié)每條管線的輸油流量，進口油、中原油按照既定的輸油比例在配輸調節(jié)閥后混合輸油。
4 與泄漏定位系統(tǒng)配合實現(xiàn)精確定位
安裝超聲波流量計，增加流量信號后，可以利用瞬時流量的對比區(qū)分管道泄漏與管道正常工況的變化：當管道發(fā)生泄漏時，管道上游端瞬時流量上升、壓力下降，管道泄漏端瞬時流量下降、壓力下降；管道正常工況變化時，管道上（下）游端流量、壓力同時上升或下降。利用這一特點，可以準確區(qū)分管道是否發(fā)生泄漏。
（1）當管道首末端安裝流量計后，可以采用實時模型法判斷和定位泄漏。實時模型法認為流體輸送管道是一個復雜的水力與熱力系統(tǒng)，根據(jù)瞬變流的水力模型和熱力模型及沿程摩阻的達西公式建立起管道的實時模型，以測量的壓力、流量等參數(shù)作為邊界條件，由模型估計管道內的壓力、流量等參數(shù)值，估計值與實測值比較，當偏差大于給定值時，即認為發(fā)生了泄漏。
（2）管道首末端安裝流量計，為需要流量計提供累計流量、瞬時流量等參數(shù)。
（3）采用管道首末端流量計提供的累計流量值，可以根據(jù)質量平衡法判斷管道是否發(fā)生泄漏，進行流量對比的時間段可以改變，以發(fā)現(xiàn)較小的泄漏。
（4）采用流量平衡法，需要同時測量流體的溫度，以便對流量數(shù)據(jù)進行修正。流量平衡法可以彌補這種缺點，它也是判斷管道是否發(fā)生泄漏的一種常用方法，這種方法依靠質量守恒定律，沒有泄漏時進入管道的質量流量和流出管道的質量流量是相等的。如果進入流量大于流出流量，就可以判斷出管道中間有泄漏點。對于加熱輸送的管道，還需計算沿程溫降對流體密度和體積的影響。這意味著“進多少出多少”的簡單系統(tǒng)在某些應用中是不夠完善的，為此質量/流量平衡法檢測管道泄漏的故障方法需要配合其它方法聯(lián)合使用。
（5）采用管道首末端流量計提供的瞬時流量值，可以根據(jù)瞬時流量的變化，準確判斷管道是否發(fā)生泄漏，排除正常的工況變化。
（6）可以建立管道的實時模型，根據(jù)實時模型法判斷是否發(fā)生泄漏以及確定泄漏發(fā)生的位置。
（7）可以采用多種方法判斷泄漏和定位泄漏。利用流量校核幫助判斷管道是否發(fā)生泄漏。
5 維護
超聲波流量計日常不需維護，每半年應檢查其信號強度，如發(fā)現(xiàn)信號強度低于65，應將傳感器取下，將焊接在管段上的導波管內螺紋孔清理干凈，保證沒有水分，然后將傳感器清理干凈，表面重新涂上耦合劑，用手小心旋入導波管內。注意：用手擰緊即可，切勿使用扳手加力！
中圖分類號TM621 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）91-0152-02
0引言
由于火電廠的水循環(huán)系統(tǒng)具有循環(huán)較慢、管道直徑較大等特點，所以對于其水流量的測量工作比較困難，普通儀器很難實現(xiàn)準確測量。超聲波流量計以其獨有的特點很好地解決了這一方面的難題，在流量測量方面發(fā)揮著越來越重要的作用。盡管超聲波流量計有著許多無法取代的優(yōu)勢，但是在使用中也有許多事項需要我們去注意。只有對注意事項進行足夠的重視，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。本文對超聲波流量計在火電廠中的應用進行了較為詳細的闡述和分析，對注意事項進行了初步探討。
1超聲波流量計簡介及工作原理
超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束的作用進而測量流量的儀器，屬于非接觸測量儀器，并不與被測流體進行直接接觸，所以也不會對流體流動產生干擾和破壞。具有測量精度高、安裝方便、不與流體直接接觸、不影響管路設備的正常運行等諸多優(yōu)點，所以在火電廠的流體測量中得到了非常廣泛的應用。
根據(jù)對信號檢測的原理可以將超聲波流量計分為以下幾種類型：傳播速度差法（直接時差法、時差法、相位差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關法、噪聲法等等。其中以時間差法超聲波流量計最常見。本文也針對這種最常見的方法來進行敘述。時間差法超聲波流量計通過直接測量超聲波脈沖順流和逆流傳播的時間差來實現(xiàn)對測量流體流量的測量。其工作原理示意圖如下：
流速方程：
流量計算公式：
其中：v-線平均流速；
L-超聲波在流體中的傳播路徑長度（聲道長度）；
t1-超聲波從換能器1到換能器2的順流傳播時間；
Δt-超聲波在流體中順、逆流傳播的時間差；
θ-超聲波傳播方向與流體流動方向之間的夾角；
qV-體積流量；
K-平均流速修正系數(shù)，K=v/u；
u-面平均流速；
v-線平均流速；
D-管道內徑。
超聲波流量計的優(yōu)點：
超聲波流量計屬于非接觸式儀表，測量時并不需要將儀器放入流體內部，可以直接從流體管道外部進行測量，對管道自身結構不用進行再次處理，對于流體也不會造成影響，而流體自身的因素也不會影響到測量儀器及測量結果，儀器自身沒有壓力損失，可以使測量結果更加準確；
一般的測量工具隨著流體管道直徑的增大，不論是制作工藝方面還是制造成本方面都會相應地提高，而超聲波流量計的造價與測量能力與管道直徑的大小沒有直接的關系，這樣既節(jié)約設計成本，又節(jié)約能耗，一舉兩得；
由于其特殊的優(yōu)點，所能夠測量的對象更加廣泛。由于超聲波流量計測量時不用與被測對象進行直接接觸，所以可以對那些諸如高腐蝕性、易揮發(fā)性、易燃易爆等具有惡劣性質的對象進行流量測量，而且對設備本身也不會產生損害。正是由于其不受被測對象限制這一特點，才給測量工作帶來了極大的便利。此外，對于管道的材質要求也比較低。
2實際應用過程中所應注意事項
在實際的應用過程中需要注意的事項有很多，概括為一下幾個方面。
2.1公式中的參數(shù)要進行準確測量
根據(jù)超聲波流量計的測量原理公式可以知道，流體管道的直徑和管壁厚度的測量結果與流速的計算相關，所以在計算過程中，首先要保證測量的準確性，要使用恰當?shù)墓ぞ撸跍y量過程中要注意進行多次測量，然后取數(shù)據(jù)的平均值，以減小誤差，保證數(shù)據(jù)的準確性。
2.2安裝位置和方法均要合理
超聲波流量計應該安裝在管道的直管段，并且要遠離流動紊亂的位置，以減少振動對測量結果的誤差。將設備盡量安裝在懸空的水平管道上，這樣不僅方便安裝施工，同時對于位置調整也是十分方便的。設備安裝的方法正確與否也直接會影響到設備的測量結果。
2.3探頭的安裝和調整
超聲波流量計探頭是其最重要的部位，也是影響測量結果最重要的因素。一般情況下探頭有兩種安裝方式：直射式測量的Z式安裝和反射式測量的V式安裝。前者是最常用的方式，但是二者適用范圍有一定的區(qū)別。如果流體流動情況較復雜，比如會產生旋渦斜流等情況時則采用V式安裝；一般正常情況下兩者都可以采用。為了減小流體中氣體對測量結果的影響，一般講探頭安裝在管道的兩側而不是頂部。
當探頭安裝出現(xiàn)問題時會導致設備不能正常運行，主要有信號不穩(wěn)定和不能進入測量程序兩種狀況。
信號不穩(wěn)定主要由流體本身原因或者探頭安裝錯誤兩方面的原因引起，需要對二者進行分析。如果是流體原因，則需要改變探頭的安裝位置，對于后者則可以將安裝方式進行對換，以增加信號穩(wěn)定性，或者調整兩個探頭之間的距離。保持信號強度在一定的最佳范圍內，需要通過調整兩個探頭間的距離來實現(xiàn)。
如果設備不能進入測量程序，自檢失敗，說明探頭安裝有問題，也有可能設備受到環(huán)境影響干擾過于嚴重，影響到了設備的性能。對于安裝問題，需要對安裝方式進行重新檢查和安裝，要保證探頭的安裝位置，檢查探頭的間隔距離是否合理，探頭安裝平面是否與流體運動方向平行等等。除此之外，管道內壁和外壁的清潔程度對于測量的結果也有影響，內壁污垢太多會影響到流體流速，外壁污垢太多則會對探頭安裝的穩(wěn)定性產生威脅。如果是因為外界環(huán)境因素對結果產生影響，則需要重新選擇安裝地點進行安裝。
3 結論
通過對超聲波流量計的工作原理進行了解，對于安裝運行過程所出現(xiàn)的問題進行闡述和分析，并提出改善措施，可以有效改善儀器的不足之處，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，以保證其更好的為人類生產生活服務。火電廠的管道設備比較龐大，流體流量測量比較困難，使用超聲波流量計可以有效解決這方面的問題，得到比較令人滿意的結果。
參考文獻
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.08.228
0 前言
天然氣作為一種優(yōu)質能源和化工原料其計量越來越被人們重視。由于天然氣的可膨脹性、可壓縮性等特性，造成天然氣要比液體計量困難得多。氣體超聲流量計沒有如節(jié)流裝置幾何形狀及尺寸變化影響儀表特性的問題，其聲道長度，聲道角及管道橫截面面積是恒定的參數(shù)；也沒有引壓管線之類易引起故障的部件，能夠根據(jù)現(xiàn)場條件確定儀表系數(shù)并為此長期穩(wěn)定。天然氣流量計量系統(tǒng)，具有高精度、無壓損、低能耗、結實耐用、維護少的特點。
1 超聲波流量計的結構及原理
1.1 流量計結構
DANIEL3400系列氣體超聲流量計結構主要分三部分：流量計本體、超聲換能器、Mark II 電子數(shù)據(jù)處理單元。
1.2 四聲道超聲波流量計工作原理（如圖1）
2 超聲波流量計的特點及在計量系統(tǒng)中的應用
普光凈化廠產品氣貿易計量精心選擇了各種設備組成計量系統(tǒng)，整體計量精度優(yōu)于0.70%。計量系統(tǒng)中包括Daniel高級超聲波流量計、 Daniel S600流量計算機、在線色譜分析儀。
2.1 daniel 超聲波流量計
Daniel 超聲波流量計是時間直通式超聲波流量計，聲波由一個探頭發(fā)射另一個探頭接受，不經管壁反射，聲波由上游向下游傳輸?shù)臅r間（由于聲波被氣流推動）小于聲波由下游向上游傳輸?shù)臅r間（聲波被氣流方向阻攔），這兩個時間之差與氣流的速度存在某種對應關系。從上下游測得的傳輸時間可以計算出氣流的平均速度和聲波的速度。
2.2 daniel s600 流量計算機
Daniel s600流量計算機適合于石油天然氣貿易交接計量和標定的各種應用。可作為多流路計量的一個部分或獨立運行。單臺流量計算機可以計量多路油氣，最多可達到 6 路計量。帶有鍵盤和LCD顯示，方便數(shù)據(jù)記錄和顯示。有多方向快捷件，可以方便搜尋顯示條目。帶有4級密碼管理，可以分級管理操作人員和信息內容。它可計算瞬間流量和總流量并通過打印口打印報告，打印口可組態(tài)。S600系列流量計算機不間斷進行診斷自檢。一旦發(fā)現(xiàn)問題，會觸發(fā)報警提醒操作員采取措施所有報警信息都會被記錄或打印。CPU板帶有兩個 RS232口和三個 RS422口連接其它設備。通訊口可以用于與上位機系統(tǒng)， SCADA或其它設備通訊。另外帶有一個10BaseT（Twisted Pair）以太網界面用于網絡連接。S系列流量計算機的組態(tài)可以使用標準格式，也可以按照客戶要求使用組態(tài)軟件定制。
2.3 色譜分析儀
色譜分析儀系統(tǒng)由樣品預處理系統(tǒng)、色譜分析儀組成。樣品由采樣點取出，經樣品管線傳輸至樣品預處理進行樣品處理，經過樣品過濾器進入色譜分析儀進行樣品分析，分析的結果以Modbus通信送入DCS系統(tǒng)和天然氣計量系統(tǒng)。
3 效益及結論
普光凈化廠使用氣體超聲波流量計作為產品氣貿易計量流量計大大降低了計量裝置故障的發(fā)生概率，延長了計量設備的壽命，避免了一些不必要的計量糾紛，提升了企業(yè)的聲譽，樹立了良好的形象。
參照有關計量技術部門的數(shù)據(jù)，因計量準確度偏離造成的經濟損失：以年輸氣1億立方米為例：溫度偏差1攝氏度---計量0.34%偏差；壓力偏差1kPa---計量0.1%偏差；由色譜儀造成的組分計量偏差―0.1%。總誤差造成的損失約30～50萬立方米氣。由此可見，有效地提高計量準確度，確保計量偏差控制在最低水平，對于我們年外輸氣120億立方米的企業(yè)來說，每年直接或間接的經濟效益影響大約3000萬元。
氣體超聲波流量計有非常多的優(yōu)點，同時也存在著一些局限性。如：對氣體流態(tài)和管道噪聲有要求。在大流量貿易計量中，如何最大的發(fā)揮氣體超聲波流量計的效能，解決和避免影響其測量準確度的因素。為我們在日常使用中帶來了新的研究課題，是我們的研究方向。
參考文獻：
[1]孫淮清.氣體超聲流量計與孔板流量計在天然氣工業(yè)中應用的比較[J].重慶工業(yè)自動化儀表研究所，石油工業(yè)技術監(jiān)督，1998，14（06）.
[2]中國石油西南油氣田分公司.超聲流量計的現(xiàn)場應用與研究技術報告[J].2001（03）.
[3]黃和，文代龍，陳汝培，游明定.淺談我國天然氣計量與國際接軌[J].2001（04）.
超聲波流量計傳感器的安裝誤差對測量結果影響很大，兩個傳感器之間的距離有嚴格的要求，一定要按規(guī)定的尺寸安裝。
圖1是FUJI ELECTRIC便攜式流量計V型安裝示意。經安徽省大流量計量站檢定（標準裝置準確度±0.05%，流量穩(wěn)定度優(yōu)于0.05%）， 該表準確度為1.0級。將該表安裝在內徑d=150mm，外徑D=159mm，壁厚h=4.5mm的管道上進行測試時，儀表指示探頭距離L=112.04mm。測量時流量保持不變，其它測試條件相同，只改變傳感器之間的距離L，測得數(shù)據(jù)列入表1。
表1 探頭安裝距離誤差±1mm時的流量測量數(shù)據(jù)
L（mm)
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
當探頭的距離有±1mm的誤差，即L的相對誤差為：(±1/112.04)×100%=±0.893%。當探頭距離為111.04mm時，流量的相對誤差為：［(105.94-107.24)/107.24］×100%=-1.21%;當探頭的距離為113.04mm時，流量的相對誤差為： [(108.52-107.24)/107.24］×100%=1.19%
可見，傳感器之間的安裝距離誤差對測量結果的影響非常大，所以安裝時一定要把距離誤差控制到最小。
2.管道外徑誤差導致的流量測量誤差
管道外徑誤差對便攜式超聲波流量計測量的影響，用實際管道外徑D=159mm+1mm的方式進行。測量時流體保持穩(wěn)定，其它測量條件相同。測試數(shù)據(jù)見表2。
表2
管道外徑D測量誤差±1mm時的流量測量數(shù)據(jù) D(mm)
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
當外徑有±1mm的誤差時，外徑D相對誤差為：(±1/159)×100%=±0.63%。當外徑取為158mm時，流量的相對誤差為：［(106.1-107.99)/107.99］×100%=-1.75%。當外徑取為160mm時，流量的相對誤差為：［(109.8-107.99)/107.99］×100%=1.68%
可見，流量測量誤差大約為管外徑誤差的2倍多。為了減小管外徑誤差的影響，一般把實測外徑輸入流量計，這樣可減小外徑誤差對測量結果的影響。
3.管道壁厚h導致的誤差
管道壁厚誤差對便攜式超聲波流量計測量的影響，用實際管道壁厚h=4.5mm+1mm進行測試。測量時流體保持穩(wěn)定，其它測量條件相同。測試數(shù)據(jù)見表3。
表3 管道壁厚h測量誤差±1mm時的流量測量數(shù)據(jù) h(mm)
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
壁厚誤差直接導致內徑誤差。壁厚有±1mm的誤差時，內徑相對誤差分別為（+2/159）×100%=+1.26%。壁厚取3.5mm時，流量的相對誤差為：［(110.47-108.15)/108.15］×100%=2.15%。壁厚取5.5mm時，流量的相對誤差為：［(105.34-108.15)/108.15］×100%=-2.60%。在實際測量中，壁厚導致內徑誤差的影響不可忽視。本實驗中，流量測量的誤差約為管道內徑誤差的2倍。
4.測量直管段要求
由超聲波流量計的測量原理可知，傳感器所測量的流速是流體的線速度。只有流速分布均勻才能保證測量的準確度，所以在流量計的上下游要有足夠的直管段。一般要求上游有5-10倍管徑的直管段，下游有3-5倍管徑的直管段。
結論
從超聲波流量計的特點及管道參數(shù)對便攜式超聲波流量計測量影響的誤差分析中，可以看出：
1、超聲波流量計在大口徑管道的流量測量中有其獨特的優(yōu)勢，是一種方便可靠的測量手段，有著廣泛應用前景。
一、前言
Daniel氣體超聲波流量計具有現(xiàn)場監(jiān)測診斷功能CBM （Condition Based Monitoring），METERLINK作為診斷功能的流量計操作軟件能實時顯示流量計受臟污影響的情況 ，動態(tài)反映流量計運行狀況 ，提示需要再標定的時間 ，有效延長再標定周期從而節(jié)約運行成本。Daniel氣體超聲波流量計的精度受污染物的影響非常小 ，通過METERLINK （ 超聲波流量計用戶操作界面 ） 軟件能夠周期性自動獲取流量計數(shù)據(jù)并加以分析 ，微小變化較難通過單個數(shù)據(jù)顯示出來 ， METERLINK可將多個 Excel 數(shù)據(jù)文件合并成一個文件 ，并形成趨勢圖 。
二、CBM基本參數(shù)
CBM的五個基本參數(shù)是診斷計量裝置存在計量隱患，方便計量維護人員采取預防性維護的重要指標：
1、增益值 （Gain）：增益值隨壓力， 氣體流速， 探頭受臟污介質影響的情況而變化。
2、信號質量 （Signal Quality）：Daniel 超聲波流量計通常有 100% 信號質量， 接近流量計所允許的最大流速時， 信號質量可能會小于 100%， 當流速僅達最高流速的 50% 而信號質量未達 100% 時， 應對流量計進行必要檢查。
3、信噪比 （SNR）：信噪比是接收到的信號和背景噪音的數(shù)值比率。在信噪比小于 100 時， 精度會受到影響。
4、流速特性 （Velocity Profile）：流速特性的顯示根據(jù)流量計聲道設計而不同， 剖面系數(shù)是流量計受臟污影響的最佳指示器， 對剖面系數(shù)的實時監(jiān)測對保持精度非常重要。
5、聲速 （Speed of Sound）：聲速計算能幫助辨別探頭上是否有異物， 聲速受氣體組分， 壓力和溫度的影響， 1 引起 SOS 0.17% 的誤差， 5 psig 引起 SOS 0.01% 的誤差。
三、METERLINK在實踐中的應用
定期做好超聲波流量計系統(tǒng)的維護和診斷，是發(fā)揮氣體超聲波流量計的最大效能，解決和避免影響其測量準確度因素的必要手段，下面是我們對超聲波流量計性能進行診斷測試時的截圖：
圖解及分析：
（1）增益值
增益指要對接收到的信號增強多少，才能達到需要的振幅強度，如果信號強度衰減，增益就加強。從現(xiàn)場截圖來看，增益值 （Gain）正常。
（2）信號質量
Daniel 超聲波流量計通常有 100% 信號質量， 接近流量計所允許的最大流速時， 信號質量可能會小于 100%， 當流速僅達最高流速的 50% 而信號質量未達 100% 時， 應對流量計進行必要檢查。從現(xiàn)場截圖來看，信號質量正常。
（3）信噪比
信噪比是接收到的信號和背景噪音的數(shù)值比率。通常情況下， 流量計正常工作有較高的信噪比， Daniel 超聲波流量計正常工作信噪比大于1000， 低信噪比常常意味著控制閥噪音的存在， 信噪比小于 250 會導致信號質量小于 100%， 信噪比小于500時，則需要調查。在信噪比小于 100 時， 精度會受到影響，從現(xiàn)場截圖來看，信噪比正常。
（4）流速特性
流速特性的顯示根據(jù)流量計聲道設計而不同， 普光分公司凈化廠的超聲波流量計為四聲道流量計，從現(xiàn)場截圖來看，流速正常。
（5）聲速
聲速計算能幫助辨別探頭上是否有異物， 聲速受氣體組分， 壓力和溫度的影響，此超聲波流量計的運行環(huán)境中，組份、壓力和溫度相對穩(wěn)定，從現(xiàn)場截圖來看，聲速也正常。
通過測試，超聲波流量計的流速、聲速、增益值、信噪比等各項參數(shù)均在正常指標范圍，波形和組態(tài)也沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，說明目前超聲波流量計運行比較正常。在對超聲波流量計檢測過后，我們會導出一份超聲波流量計的維護日志，用于和日后維護的性能進行比較。
四、效益及結論
采用METERLINK診斷軟件對外輸產品氣五臺超聲波流量計進行詳細的“體檢”，有效的在計量故障發(fā)生之前，發(fā)現(xiàn)問題根源。通過METERLINK、流量計量監(jiān)控系統(tǒng)與凈化廠原有的計量管理檢測體系相結合，可以實現(xiàn)：1、不斷提高計量的準確度和重復性；2、定期診斷計量裝置的各種數(shù)據(jù)和動態(tài)趨勢信息；3、方便計量維護人員采取預防性維護；4、有效監(jiān)控計量裝置的動態(tài)變化，發(fā)揮現(xiàn)有計量設備的巨大潛能。
參考文獻
中圖分類號：TD353.5 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）41-0146-01
超聲流量計是通過檢測流體流動時對超聲束的作用，以測量體積流量的儀表。超聲波流量儀的傳感器是將傳感器直接捆綁在被測管道的外表面，從而實現(xiàn)流量測量的一種安裝方式，解決了其它原理的流量儀在安裝時必須斷管、停產的難題，是超聲波流量儀的基本安裝方式，具有與管徑無關、安裝簡單、無需停產、無壓力損失等特點。超聲波流量計常用的測量方法為傳播速度差法，其基本原理都是測量超聲波脈沖順水流和逆水流時速度之差來反映流體的流速，從而測出流量。它利用聲波在流體中傳播時因流體流動方向不同而傳播速度不同的特點，測量它的順流傳播時間t1和逆流傳播時間t2的差值，從而計算流體流動的速度和流量。
1.超聲波流量計優(yōu)缺點
1.1 超聲波流量計優(yōu)點
（1）節(jié)約能源。改儀表可以夾裝在測量管道的外表，不接觸流體，所以不干擾流場，沒有壓力損失，因此是一種比較理想的節(jié)能儀表。特別是大流量計量時，節(jié)能效益更加顯著。（2）特別適合大口徑的流量測量。其它流量計隨著口徑的增加，造價更大幅度增加，而超聲波流量計的造價基本上與被測管道的口徑無關。所以，口徑越大，優(yōu)點越顯著。（3）解決流量測量的難題。由于超聲波流量計是非接觸式儀表，所以，除了用于測量水、石油等一般介質外，還能對強腐蝕介質、非導電介質，易爆和放射性介質進行流量測量，而且不受流體的壓力、溫度、粘度密度的影響。（4）安裝維修方便，無論是安裝還是維修，都不需要切斷流體，不會影響管道內流體的正常流通。安裝時不需要閥門，法蘭、旁通管路等，因此，安裝方便，費用低。（5）通用性好。其它流量計的儀表結構與管道口徑的大小是密切相關的，口徑改變時，就需要換用不同尺寸的儀表。對超聲波流量計來說，無論是管道尺寸的改變，還是流量測量范圍的變化，都有較大的適應能力。
1.2 超聲波流量計缺點
超聲波流量計是基于集成電路、單片機和自動控制技術的高集成、多功能儀表，先進的控制理論和成熟的電路設計為流量計多種功能的實現(xiàn)奠定了基礎，如果要提高流量的測量精度，必須進一步完善測量線路的設計，提高對聲速的測量。超聲波流量計高度集成的電路設計勢必會提高設計制造的成本與難度，而一旦發(fā)生故障，維修難度也相應增加。另外，受超聲波換能器及傳感器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度原始數(shù)據(jù)不全因素的影響，目前還難以將超聲波流量計應用在高溫介質的流量測量上。
2.常見故障分析
2.1 瞬時流量異常
瞬時流量異常可能是由于溫變壓變、通訊電纜、浪涌保護器、流量計算機等故障引起，需要仔細檢查確認。通過與其它流量計的溫變、壓變上傳通訊線對換，判斷是流量計算機的問題或是現(xiàn)場線路、儀表的問題。以下以A、B超聲波流量計舉例說明，A正常，B異常。
1）儀表及線路故障判斷
把A和B的溫變、壓變通訊線對換后，B的顯示正常，A顯示異常，可判斷A的溫變、壓力通訊線路或儀表存在問題。溫變和壓變都支持HART通訊協(xié)議，通過以下方法判斷：斷開二次儀表的電源，用FLUK供電，并檢查二次儀表，如檢測不到或數(shù)據(jù)異常，判斷是儀表故障，更換儀表恢復正常生產。
如果能夠檢測到儀表值并且顯示正常，那么恢復向現(xiàn)場儀表的24V供電，逐段檢測到流量計算機的通訊電纜如在某段檢測不到信號或信號異常，可以判斷是該段電纜破損，更換該段電纜恢復正常通訊。如果在經過浪涌保護器后信號異常，可判斷是浪涌保護器故障，更換浪涌保護器恢復數(shù)據(jù)正常傳遞。
2）流量計算機Hart板故障
把A和B的溫變、壓變通訊線對換后，A顯示正常，B顯示異常，說明B的流量計算機故障。檢查流量計算機Hart板LED指示燈狀態(tài)，正常情況下是綠色閃爍，如果顯示紅色常亮或不亮等其它狀態(tài)，說明溫變和壓變對應的Hart板通道損壞。解決辦法有兩個，一是直接更換Hart板，不用刷新組態(tài)；二是更改刷新組態(tài)，請技術工程師更改組態(tài)，更改溫變和壓變對應Hart板的通道。一般在夏季雷雨天氣下容易出現(xiàn)流量計算機被雷擊損壞的情況，特別是Hart板，更容易損壞，需要格外留意。
2.2 無瞬時流量
1）CPU板故障
CPU板LED指示燈不亮或顯示紅色。檢查方法：筆記本電腦首先安裝相關組態(tài)軟件并激活，用網線連接，把筆記本電腦的IP地址更改，建立通訊局域網，下載組態(tài)備用。更換使用備用CPU板，把組態(tài)刷到備用CPU板中，冷啟動，檢查指示燈狀態(tài)。
2）流量計故障
CPU板LED指示燈不亮或顯示紅色，表示流量計與流量計算機之間的通訊異常，需要檢查流量計的超聲換能器和信號放大單元。檢查方法：筆記本電腦安裝相關軟件，通過數(shù)據(jù)線與流量計的端口相連，通過軟件檢查在帶壓下四個聲道是否有報警，如果是表示所有超聲換能信號全部沒有上傳上來，需要拆卸下表頭，緊固信號放大器，如果信號還傳遞不上去，表示信號放大器損壞，需要更換新的。
如果檢查發(fā)現(xiàn)聲道報警、信噪比異常、聲道增益信號異常，可能是聲道換能器損壞或信號放大器損壞，可以通過交叉接線的方法判斷。超聲波流量計的4對聲道分別是A、B、C、D，如果C聲道正常，D聲道異常，把C1與D1、C2與D2分別對換，如果C聲道異常，D聲道正常，表示超聲換能器損壞，可以拆卸、清洗信號放大器，如果仍然異常，則需要更換同型號的超聲換能器；如果C聲道正常，D聲道異常，表示信號放大器損壞，需要更換同型號的信號放大器。
3.結論與認識
流量儀表大都需要適合的測量介質和工況條件為依托方可發(fā)揮正確作用，只有優(yōu)勢而沒有缺點的流量儀表現(xiàn)今是不存在的，合理的選擇儀表對于現(xiàn)場工程師和管理者是至關重要的。在工業(yè)裝置中要正確和有效地選擇，使用流量測量方法和儀表，必須熟悉流量儀表和生產過程流體特性這兩方面的技術，同時還應考慮經濟因素。
基于不同原理，適用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現(xiàn)，其測量準確的優(yōu)點，也使其成為化工行業(yè)測量流速的首選工具。由于超聲波流量計具有抗干擾能力強、測量精度高、無壓損、量程比寬、維護量小等特點，近幾年，得到了大力的應用。在實際生產中，超聲波流量計會出現(xiàn)各種各樣的問題，需要我們做到以下幾個方面：一是結合實際情況，建立合理的維護保養(yǎng)制度，半年對超聲換能器進行檢查，半年使用軟件檢查；二是儲備適量的備件和組態(tài)，在出現(xiàn)問題時能夠及時更換更新；三是技術人員需要不斷加強學習，提高自身的技能水平和解決問題的能力。只有這樣，才能最大限度的減少因超聲波流量計故障造成的影響，降低企業(yè)運營成本。
浮子流量計曾是油田注水井分層測試的主要儀器。隨著時代的發(fā)展、技術的進步，開始使用FDL型電子流量計，F(xiàn)DL型電子流量計由傳感和記錄兩部分組成。傳感部分由一根內徑沿液體流動方向由小到大的圓錐形管和一個在管內隨流量變化而上下移動的浮子及約束浮子的測量彈簧、記錄筆桿組成。記錄部分由井下時鐘、鐘筒、卡紙筒、卡片及筆尖組成。測試時采用坐封測量，由于坐封式FDL電子流量計已使用多年，儀器使用時間過長，設備本身存在老化現(xiàn)象，很難滿足分層測試的需要，影響測試的質量。隨著科研院所和單位在流量計方面進行不斷的研究，目前油田引進使用的CLJE型超聲波流量計，克服了FDL型電子流量計的缺點，提高了測試精度，滿足油田開發(fā)的監(jiān)測要求.
一、CLJE型超聲波流量計的工作原理及使用
1.工作原理。CLJE非集流存儲式超聲波流量計是供油田測試分層配注井注水量的儀器。儀器采用了先進的超聲波速度疊加原理，測試精度高。測試方法是時差法。利用超聲波在傳播距離相同的情況下，順著介質流動方向與逆著介質流動方向傳播有時間差，根據(jù)這個時間差可以計算出在已確定幾何尺寸、結構的管道中流體的速度，這樣就可以測量出流體的體積流量。儀器不存在任何可活動的機械部件，因此安裝方便，可靠性高。儀器既可以測試注水井，也可以測試注聚合物井。另外，儀器在測試流體流量時也同時測試壓力和溫度。
2.超聲波流量計的使用。（1）組成及結構。系統(tǒng)由CLJE非集流存儲式超聲波流量計（簡稱流量計）、YHF-2回放儀主機（簡稱回放儀）、CLJ系列非集流存儲式超聲波流量計數(shù)據(jù)處理軟件及與之配套的ZCD-4A自動充電器組成。回放儀是地面儀器。主要功能是在計算機和流量計通訊時：：為流量計提供電源；為計算機和流量計提供通訊接口；ZCD-4A自動充電器用于回放儀和電池組件充電，一臺充電器可以同時給一臺回放儀和最多4支電池組件充電，充電時間為9小時。CLJE非集流存儲式超聲波流量計（簡稱流量計）由繩帽、電池組件、主機、導流管、上扶正器和下扶正器組成。（2）軟件操作。運行程序，界面。選擇處理、打印、上傳、下載。點擊“數(shù)據(jù)調取”按鈕出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸窗口，從服務器調取該井的參數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)調取操作完成后，再錄入實際水井測試數(shù)據(jù)，如調后水嘴、油壓、泵壓等數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性。測試成果還可進行網上上傳操作，操作與下載數(shù)據(jù)類似。
二、應用效果
1.現(xiàn)場應用。（1）儀器加電。旋開電池帽，將電池與測試儀器對接。（2）連接下扶正器，旋上繩帽開始下井。試井過程中絞車時速小于80/分鐘，通過偏心時減速。（3）以三級三段井為例，測試順序為偏III，偏II，偏I.注意測試時流量計探頭段應處于各層段封隔器與偏心配水器之間。每層停5分鐘左右采集數(shù)據(jù)。（4）試井結束后刮下扶正器，擦拭儀器。打開回放儀與流量計對接好后接收數(shù)據(jù)。
2.效果分析。超聲波流量計在油田的應用，取得了較好的效果，具體表現(xiàn)在以下幾個方而：（1）精度高，在現(xiàn)場測試中，超聲波流量計測得的全井總水量同水表水量符合率較高。
（2）無須坐封，減小工作量，超聲波流量計可在層位間任意停點，因此測試一次成功率較高。（3）可以檢漏，對死水區(qū)、管柱漏失點可精確測量到位置。對在生產中出現(xiàn)的一些異常井進行分析十分有效。（4）啟動排量小，量程大，由2方到200方均可測量。（5）通過溫度、壓力、流量三參數(shù)，可以完整的反映測試全過程。（6）以往一些由于坐封集流而測試難度大的井，用超聲波流量計可以輕松完成。
三、存在問題
一是對于井筒內介質黏度較大，油管壁內徑不均勻的井，測量結果與水表差距較大。二是測試過程中要控制三次注水壓力，對于離配水間較遠的井，測試起來不方便。三是油田目前各采油隊的配水間使用的多數(shù)是干式高堰水表，精度低，穩(wěn)定性差，壓力表為彈簧管式壓力表，精度低。而超聲波流量計精度高，工作狀態(tài)較穩(wěn)定，有時測試水量、壓力與配水間水量有較大偏差。因此存在一個測試計量和配水間計量儀器的精度匹配問題。
在精細地質研究成果日趨成熟的今天，這已經是一個不容忽略的問題。另外，該儀器價格不菲，校驗費昂貴，此為美中不足。但從油田高含水后期的發(fā)展趨勢來看，精細注水不可避免。坐封集流式測量儀器必將被非集流式測量儀器代替，因此，該種測量技術和儀器具有廣闊的發(fā)展前景。
四、結束語
CLJE型超聲波流量計，具有操作簡便、可靠性好、測量精度高、無須坐封，減小工作量、可以檢漏、量程范圍寬及啟動排量小等特點，通過溫度、壓力、流量三參數(shù)，能客觀地反映井下各層的流量，避免人為因素影響，可完成分層測試的全過程測量，滿足了油田開發(fā)的監(jiān)測要求，適合在分層管柱的測試中使用。
中圖分類號：TH714 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）03-0129-03
Abstract：Controling and measurement of water for agricultural irrigation widespread inefficiency， high accuracy is not the situation， based on multi-channel ultrasonic transit-time flowmeter design and complete hardware design and software design. Program uses a high-voltage power driver ultrasonic transmitter circuit， for receiving and processing signals from the microprocessor Cortex-M4k60 be calculated according to the signal information， the conclusion that the open channel flow measurement.
Key Words：Multi-channel ultrasonic flowmeter， Time difference method， High voltage power driver
超聲波傳播的方向性好，穿透能力強，接收的時候容易獲得集中的聲能，它在液體中傳播距離遠。超聲波明渠流量計作為一種非接觸式測量設備具有很好的發(fā)展前景。
1 超聲波明渠流量計測流原理
時差法測流就是利用超聲波脈沖在流體中順流與逆流傳播的時間差來測量流速，此流速與截面積的積就是所測的流量，工作原理如圖1所示。
在圖1中，1和2均為超聲波傳感器，3為測流截面。L是超聲波傳播的距離即聲程。開始工作時，順流方向傳感器1向傳感器2發(fā)射聲脈沖，測出傳播時間。逆流方向傳感器2再向傳感器1發(fā)射聲脈沖，測出傳播時間。則該水層平均流速為：
（1）
兩個換能器安裝在河流兩邊，聲波傳輸時通過整個斷面，實際傳輸速度受斷面上這一水層所有水流速度影響。根據(jù)測得的時間差得到的是斷面這一水層的平均流速。由此可以根據(jù)所測的各個水層平均流速資料推求整個斷面平均流速。在測速的同時測量水位，由水位計算過水斷面面積S。在簡單的情況下，可用的方法計算流量。式中的k是斷面流量系數(shù)，斷面平均流速。
2 系統(tǒng)方案設計
一般來說渠道中的流態(tài)比較復雜。一方面，從渠底到水面流速呈不均勻分布；另一方面，當渠道的上游有轉彎或分水口時，水流會產生橫向流，為消除橫向脈動流等影響，提高測量精度，一般采用多聲路的布置方式，根據(jù)我國的灌區(qū)特點，一般采用三個聲道的超聲波流量測量系統(tǒng)，其現(xiàn)場工藝如圖2所示。
如圖2所示，多聲道的超聲波流量計是通過精確地測量各聲道上超聲波沿水流順向及逆向傳播的時差，用加權積分的方法計算出流量。多聲道超聲波流量計測流原理與單聲道超聲波流量計基本相同，只是測流時在流量的斷面上布設了多個傳感器。其中每個聲道的工作原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)主要由電源、微處理器部分、超聲波發(fā)射電路、輸入保護電路和放大濾波電路構成的信號調理電路、顯示電路、通訊電路、傳感器等部分組成。其中， 發(fā)射部分和接收部分是超聲波測厚的重要組成單元，它完成從超聲波發(fā)射和接收到檢測、放大濾波等一系列超聲波信號在流量中的模擬部分的信號處理。
3 系統(tǒng)硬件設計
3.1 信號發(fā)射模塊
在發(fā)射電路的設計中，由單片機單個I/O引腳觸發(fā)激勵脈沖信號，單片機激勵的信號脈寬大致為400ns，幅值為5V，由于激勵電路中采用的是FQPF4N90C N溝道增強型功率場效應管，單片機I/O口的信號不足以驅動其通斷，所以設計中選用了MAX4420作為驅動芯片，它是一款單功率金屬氧化物半導體場效應管驅動器，用于TT/CMOS輸入信號轉換為高壓/大電流輸出，信號經MAX4420放大后，促使FQPF4N90C導通，由于高壓已經對電容C3充好電，所以電容將會通過電路瞬間放電，在超聲波探頭上產生高壓窄脈沖信號，壓電晶片將電能轉換為聲能（機械能）而產生超聲波信號。電路圖如圖4所示。
電路具體的工作原理為：在沒有激勵發(fā)射脈沖時，高壓電源HVCC通過電阻R3和R4對能承受高壓的電容C3充電，使其兩端的電壓差達到高壓電源的輸出值。當發(fā)射激勵脈沖到達后，場效應管FQPF4N90C瞬間導通，C3通過FQPF4N90C向后續(xù)的電路進行快速放電，產生負向的脈沖瞬間作用在超聲波探頭上，使其快速發(fā)生壓電變換，激勵出高能的超聲脈沖。
3.2 信號接收模塊
在超聲波測流電路中信號接收模塊主要對超聲波探頭的回波信號進行處理，包括限幅、放大、濾波、檢波和比較，輸出的信號直接傳到單片機，由單片機判斷信號的變化并識別回波信號。
3.2.1 輸入保護電路
在超聲電路中，在使用高壓窄脈沖激勵超聲波探頭時，激勵信號同時也會附加到后面的接收電路上，如果不能對此信號進行過壓保護即限幅，高壓信號將可能損壞接收電路中的一些精密的元器件，不能正常接收到信號，從而造成誤判。
設計中，主要采用二極管并聯(lián)限幅保護電路，電路如圖5所示，反向二極管分別能對正向和負向的大脈沖信號進行限幅，保護后面的接收電路，同時也提高了超聲波接收電路反應的靈敏度。由于超聲信號頻率較高，這要求限幅二極管具有較高的反應速度和承受0-800V的正或者反向電壓，在設計中采用反向并聯(lián)2個1N5817以達到限幅的作用。
3.2.2 增益放大電路
由于探頭接收到的回波信號是比較微弱的高頻信號，所以用高頻放大電路來對回波信號進行放大。設計中采用AD620對回波信號進行放大，電路如圖6所示。在增益設置上，使用一個外部電阻器便可把增益精確的設置在1到1000倍，并能保持其最大誤差在±0.3%之內。
3.2.3 濾波電路
因為超聲波激勵及回波信號都屬中高頻段，所以在對信號放大的過程中會在信號中附加上一些高頻干擾和噪聲，這些干擾不但存在而且其幅度相對有用信號很大影響后期的信號處理，濾波電路用來對大噪聲進行濾除。設計中主要采用MAX4104ESA對噪聲進行處理，電路如圖7所示。
在不同頻率輸入下的濾波結果仿真如圖8所示（左圖輸入頻率 500KHz，右圖輸入頻率2MHz，圖中幅值較小的波形為濾波后的信號）。
3.2.4 檢波電路
信號經過濾波后，仍存在震蕩，對信號進行檢波，以改善信號的平滑度，設計中選用1N4148二極管與電阻電容構成檢波電路，如圖9所示。
在高頻輸入下檢波仿真結果如圖10所示（圖中正弦波為輸入信號、頻率為500KHz，幅值為4.2V的波形為檢波后的信號）。
3.2.5 比較電路
設計中采用高速、低功耗比較器MAX913進行電壓比較，電路如圖11所示。在Protues下仿真結果如圖12所示（圖中正弦波為輸入信號，頻率500KHz，直流波形為基準電壓，方波為輸出信號）。
3.2.6 通信電路
由于控制芯片串口類型為TTL，為使電路能夠接入RS485總線。所以設計中采用MAX485作為通訊芯片，P23可與單片機IO口連接，P23為高電平時，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)，單片機將串行數(shù)據(jù)送至TXD引腳。P23為低電平時，MAX485處于接收狀態(tài)，單片機從RXD引腳接收串行數(shù)據(jù)。
3.3 顯示模塊及功能鍵
為了全面直觀的顯示信息，選用EDM12864P液晶顯示模塊。
EDM12864P是+5V電源供電的128*64點陣式圖形液晶顯示模塊。功能鍵單元主要是完成參數(shù)設定、數(shù)據(jù)的輸出、顯示和傳送等功能。
4 實驗結果及分析
在系統(tǒng)設計中，驅動的窄脈沖信號由單片機I/O引腳提供，可使脈沖的脈寬最小保持為一個機器周期的時間，單片機輸出小脈沖信號后，經MAX4420放大信號驅動場效應管導通，電容通過電路進行快速放電，在測試中，使用了150V的電壓對電容進行充電，滿足探頭2.5MHz的中心頻率。探頭受到脈沖的激勵，會產生 阻尼震蕩，用數(shù)字示波器觀察到的效果如圖13所示。
通過實驗發(fā)現(xiàn)，超聲波流量計在進行流量測量時還存在一定的誤差，誤差取決于數(shù)據(jù)的線性度和修正系數(shù)的準確性。誤差是由超聲波信號的時間差和超聲波在水中的聲速影響的。在測流中可以改善信號的處理結構和降低噪聲來提高時間差的測量精度，而聲速則與液體的溫度和壓力有關，消除溫度和液體壓力帶來的誤差則大大增加了軟硬件設計的難度，另外渠中水的流態(tài)，如層流和湍流也影響著測流的準確性。
6 結語
針對農業(yè)灌溉用水測量普遍存在著效率低下、精度不高的狀況，設計了多聲道超聲波流量計設計方案，并完成了硬件及軟件設計。此方案能廣泛的適用于灌溉用的明渠流量測量，也可以用于管道流量測量，在實際的測試中，程序無出錯率，很好的達到各種測試的目的。在測試中，各個模塊都能順利的采集到相應的數(shù)據(jù)并在接收到上位機的讀取指令后自動向上位機返回數(shù)據(jù)值。
參考文獻
[1]吳斌，趙剛，夏冰.淺談超聲波流量計的分類和實際應用[J].中國計量，2006，（11）：53-55.
[2]徐方明，夏洲，朱浩，等.基于FPGA的多聲路超聲波流量計設計與實現(xiàn)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2014，（02）：25-27.
