氣體超聲波流量計測量精度的影響因素

    氣體超聲波流量計在相關(guān)領(lǐng)域中已經(jīng)獲得了十分成功的應用，國外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究。相比較而言，我國對于超聲波流量計的研究較少，而氣體超聲波流量計存在信號不穩定、信噪比較高等問(wèn)題，嚴重制約了其產(chǎn)品化發(fā)展。因此加強對影響氣體超聲波流量計計量精度的研究對于豐富理論研究成果具有現實(shí)意義。
   
    一、氣體超聲波流量計計量運行原理
    當前，較為常見(jiàn)的超聲波流量計系統能夠在計算機技術(shù)支持下，直接輸出標準條件下體積量。而氣體超聲波流量計將天然氣作為基礎，通過(guò)壓力變送器、在線(xiàn)色譜分析儀等設備完成計量工作。相比較傳統設備而言，這種計量模式不僅能夠提高工作效率，還能夠為科學(xué)決策提供依據，該設備將成為使用領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的必然選擇。
    在具體應用中，超聲波流量計信號處理單元通過(guò)對筒體中的氣體流速等要素進(jìn)行測量，然后利用在線(xiàn)色譜分析儀等設備計算獲得體積流量，最后上傳至站控系統當中。
    二、降低氣體超聲波流量計量精度的主要因素分析
影響氣體超聲波流量計量精度因素很多，較為關(guān)鍵的體現在三個(gè)方面：
    1 信號方面
    超聲波理想媒介中傳播，不會(huì )出現聲波減弱現象，相反，在非理想媒介中傳播過(guò)程中，聲波會(huì )隨之距離的增加而呈現遞減的趨勢，形成將聲波轉換為熱耗散的過(guò)程。在研究中能夠發(fā)現引起媒介對聲波吸收的因素較多，主要由粘滯吸收與熱傳導兩部分構成。聲波的具體計算公式如下：
    α＝αx+α1+αR
    公式中,α為聲音衰減系數。如某流量計系統中采取的200kHz地超聲波發(fā)生器，信號經(jīng)過(guò)放大和濾波環(huán)節后，當探頭距離在30cm之內，理論曲線(xiàn)與實(shí)際曲線(xiàn)相重合；當距離超過(guò)30cm之外，實(shí)際信號曲線(xiàn)斜率比理論斜率小，出現這種情況的原因在于噪聲的產(chǎn)生。
    超聲波流量計工作是超聲波在不同介質(zhì)與流向中速度差異進(jìn)行的計量。超聲波在通道中傳播時(shí)間是設備進(jìn)行流量計算的主要因素。在設備運行過(guò)程中，超聲信號對于計量產(chǎn)生的影響具體表現如下：調壓閥與節流裝置產(chǎn)生的噪聲為寬頻噪聲，高頻部分隨著(zhù)節流裝置前后壓差和流量增加而增加，進(jìn)而影響超聲信號傳輸，最終降低計量準確性。由此可見(jiàn)，對于計量精度而言，應盡量控制噪聲的產(chǎn)生。
    2 硬件方面
    時(shí)差法超聲波流量計的計量精度主要是超聲波順逆流的時(shí)間計時(shí)精度，計算公式如下：
    v=（t2-t1）Lt1-1t2-1arccosθ
    試驗表明，當傳感器之間的安裝距離相對誤差在5%之內時(shí)，流量相對誤差在10%，也就是說(shuō)前者越大，后者也將隨之增加。而管道內徑相對誤差為-3.3%時(shí)，流量誤差為-5%。同時(shí)，超聲波流量計換能器、信號處理等配件的安裝質(zhì)量也將影響設備運行。如某計量站流量安裝運行后，受到第二聲道探頭接線(xiàn)松動(dòng)引起的聲道聲速變小，導致設備計量精度大打折扣。
    受到換能器信號線(xiàn)的影響，計量結果偏低，使得計量系統無(wú)法準確進(jìn)行計量。就超聲波流量計特性而言，流速沿著(zhù)軸線(xiàn)均勻分布的流態(tài)能夠改善計量不準確情況，所以在流量計上下游位置進(jìn)行調整，能夠避免由于硬件安裝造成的計量精度不高問(wèn)題。
    3 流場(chǎng)方面
    流場(chǎng)作為重要影響因素，雖然當流體流速較小時(shí)，其沿著(zhù)直線(xiàn)傳播，但是這種差別仍然不容忽視。在特定條件下，設備偏移距離與探頭半徑相當，收到的信號幅值將會(huì )被削弱，進(jìn)而影響到計量精度。
    此外，在流量計運行過(guò)程中，壓力、溫度測量都是由現場(chǎng)遠傳儀表完成測量目標，該數值直接參與到流量計算當中。就公式來(lái)看，獲取的壓力和溫度對于流量計計量結果具有直接影響。壓力與流量之間呈正相關(guān)，而溫度與流量呈現負相關(guān)。受到工作環(huán)境等外界因素的變化，得到的測量結果也會(huì )發(fā)生偏差。綜上所述，氣體超聲波流量計計量精度影響因素不僅限于某一方面，要想提高其計量精度，需要從多個(gè)方面入手。
    三、提高超聲波流量計計量精度有效措施
    1 重視對設備的監測
    氣體超聲波計量在設計之初都設置了自診斷系統，能夠利用計算機對數據進(jìn)行深入分析和判斷，幫助工作人員了解和掌握設備運行實(shí)際情況。因此在具體運行過(guò)程中，可以對設備進(jìn)行定期檢查，如果發(fā)現實(shí)際測得聲速與計算聲速超過(guò)0.2%，應采取相應措施，對設備進(jìn)行調整，以避免計量精度低帶來(lái)的不便。另外，還可以觀(guān)察效率因子，如果出現突變或者高頻率大幅度正負跳變時(shí)，證明流量計運行已經(jīng)存在明顯不穩定的情況，且設備在運行過(guò)程中，其電壓增益值數字趨于穩定化，且增加幅度不明顯，一旦數值出現突增情況，表示信號接收強度開(kāi)始減弱，需要對設備進(jìn)行調整和優(yōu)化，以獲得較為準確的計量精度。
    2 避免造成的產(chǎn)生
   上文提到噪聲對于流量計計量精度具有直接影響。因此應盡量確保計量前后閥門(mén)全開(kāi)，促使下游調節閥對流量進(jìn)行調節。由于氣體超聲波流量計上游閥門(mén)節流時(shí)，能夠產(chǎn)生人耳聽(tīng)到和聽(tīng)不到的聲音，一旦這種聲波的頻率與設備工作頻率產(chǎn)生共振時(shí)，將會(huì )降低信噪比，影響到計量準確性。而通過(guò)閥門(mén)全開(kāi)，能夠有效避免這一問(wèn)題的出現，顯著(zhù)提高計量準確性。
    3 確保被測介質(zhì)流速均勻性
    對于流場(chǎng)問(wèn)題，應盡量保持被測介質(zhì)流速、流量等穩定性，并符合流量計運行要求。如果壓力偏低，流體交易發(fā)生流動(dòng)及轉換，在流經(jīng)流量計時(shí)，超聲換能器穿越不同流態(tài)介質(zhì)將會(huì )產(chǎn)生誤差，因此保證流場(chǎng)穩定是提高流量計計量精度的前提。同時(shí)還應注重對設備的日常維護與保養，確保設備始終保持在良好狀態(tài)下運行，避免外界因素對流量計計量精度產(chǎn)生的消極影響。
 
    根據上文所述，氣體超聲波流量計計量系統作為一項基礎設備，在促進(jìn)石油領(lǐng)域健康發(fā)展等方面占據十分重要的位置。為了能夠提高流量計計量精度，我們首先要明確影響其精度的各類(lèi)因素，并從多個(gè)方面入手，制定針對性解決方案，減少超聲波噪聲的產(chǎn)生、加強對流量計設備運行情況的監督和測試，及時(shí)消除不良影響因素，不斷提高計量精度，從而促使設備實(shí)際價(jià)值得到有效發(fā)揮。