0 概述
上海吴淞煤气制气有限公司出厂煤气有部分采用往复式压送机输送。往复压送的煤气流量的量程比最大为1∶9，且气流是脉动的，流量计位置距离压送机又很近，故九十年代试用同济大学声学研究所单声道气体超声波流量计进行计量。
1997年上海燃气行业进行了产销分离改革，成立了上海煤气销售（集团）有限公司与上海煤气制气（集团）有限公司。为达到制气和销售集团之间煤气公平、公正计量的目标，顺应改革的需求，上海成立了国内首家燃气公正计量站，为产销双方进行出厂煤气公正计量。公正站成立后，吴淞公司单声道气体超声波流量计即正式作为贸易结算流量计开始其在上海人工煤气计量中的应用。
2000年底，上海燃气行业进行了裂变重组，在上海浦西地区（气源为人工煤气）以苏州河为界成立了两家燃气销售公司，上海大众燃气销售有限公司与上海市北燃气销售有限公司。由于浦西地区人工煤气为一张网供应格局，为适应改革需要，满足上述两公司独立计量的需要，在南北互通的煤气桥管中安装流量计势在必行。
苏州河桥管中煤气流向和流量随桥管两端压力变化而变化，具有双向和流量变动大的特点，常规流量计无法满足其计量要求，只能选择超声波流量计，超声波流量计在上海人工煤气计量中的应用得到进一步扩大。
1 测量原理
1.1 原理简介
采用超声波检测技术测定气体流量，通过测量超声波沿气流顺向和逆向传播的声速差、压力和温度，算出气体的流速及标准状态下气体的流量。
如图1所示，假设两换能器间的超声传播距离为L，超声传播方向与轴线之间的夹角为θ，超声波在静态气体中的声速为C0，则当管道内气体流速为u时，超声波沿气流顺向传播和逆向传播的声速C1、C2分别为：
C1=L/（t1－τ1）=C0+ucosθ
C2=L/（t2－τ2）=C0－ucosθ
声速差：
△C=C1－C2=L/（t1－τ1）－L/（t2－τ2）=2ucosθ
即：u=L/2cosθ[1/（t1－τ1）－1/（t2－τ2）] （1）
（1）式为速差法流量测量的基本原理表达式。式中，t1、t2分别为超声波顺向传播和逆向传播时的声时，τ1、τ2分别为超声波顺向传播和逆向传播时电路、电缆及换能器等产生的声延时。
从上式可以看出，速差法测量具有很大的优越性，测得的流速u与媒质（即成分）的声速C0无关，这对于生产现场实际测量是十分有利的。
由测得的管道中的气体流速，乘以管道横断面面积可以得到工况条件下气体的瞬时流量Q：
Q=πD2/4·L/2cosθ[1/（t1－τ1）－1/（t2－τ2）] （2）
瞬时流量Q可以转换成标准工况下气体的瞬时流量Q0：
式中，P、T、Z分别为管道中工况条件下气体的压力、温度和压缩因子，P0、T0、Z0分别为标准工况下气体的压力、温度和压缩因子。
通过对现场连续测量得到的瞬时流量进行累计，即可得到管道内气体的累积流量。
1.2 超声波流量计优点
（1）适用于大管径气体流量的高精度测量（管径可达1.6m，精度可优于0.5%）；
（2）测量范围（量程比）很宽；
（3）重量轻，所占空间与面积都少；
（4）对脉动流较不敏感；
（5）管道中无阻挡件无压力损失；
（6）重复性很高；
（7）对大的压力变化不敏感；
（8）无可动部件；
（9）对气体中的液滴、固体颗粒和沉积物不敏感；
（10）上下游的直管段都较短；
（11）不受安装条件的影响，加速度分布的不对称，涡流及脉动均对测量无影响；
（12）由于无磨损，因此无示值飘移现象；
（13）传感器可以更换，无需标定、可在带压条件下更换（利用单个阀或双的截止与放空阀）；
（14）系统本身有自检功能，能进行自检查，有自诊断功能，通过报警提示清洗或更换传感器探头；
（15）可以允许管道清洗球通过管道和流量计进行清洗（无阻挡部件、探头可提升）。
超声波流量计的上述特点，尤其是测量范围（量程比）很宽、对脉动流较不敏感及可测量双向流使超声波流量计在人工煤气计量中的应用成为可能。
2 应用情况
2.1 QL-3型多通道超声波气体流量计应用
2000年底，上海燃气行业进行了裂变重组后，在苏州河煤气桥管上安装超声波流量计，当时采用的是同济大学声学研究所研制的QL-3型多通道超声波气体流量计，2001年4月底，根据输配等综合情况选定的5根煤气桥管上超声波流量计安装调试完毕，可以进行计量。2003年1月1日起5根煤气桥管上超声波流量计正式作为贸易计量器具，对苏州河南北的两家燃气经苏州河桥管的煤气流量进行计量。
5根煤气桥管上超声波流量计均为四通道，用四对换能器同时测量了管道中多个层面的流速，使流量计较真实地反映管道中流场的分布情况，保证了流量计的测量准确度。
因QL-3型多通道超声波气体流量计为科研产品，且超声波流量计应用于压力较低的人工煤气处于摸索阶段，流量计性能不太稳定，自2003年1月1日正式启用以来，不断进行流量计局部更新和相关配套改造工作。2007年下半年，在用的四台超声波流量计全部被上海维思公司CL系列超声波流量计取代。
2.2 CL系列多通道超声波气体流量计应用
2.2.1 系统组成
系统由两对超声波换能器、流量转换器、流量计算器、温度变送器、压力变送器、不间断电源等部分组成。
2.2.2 性能改进：
CL系列超声波流量计在流量计表体设计上，通过换能器插入点以及角度的设计，用二对换能器同时测量了管道中2∼6个层面的流速，使流量计真实地反映管道中流场的分布情况，保证了流量计的测量准确度。
流量计还采用了获得发明专利的“随机地多次测量时间间隔后平均”技术、“过零电平检测”、“提高超声发射接收能力”、“尽可能高的时标频率”、“虚拟多声道”以及其它技术措施，大大提高了仪器的测时准确度及流量测试准确度。
2.2.3 在吴淞公司应用情况
上海吴淞煤气制气有限公司最初采用同济大学声学研究所单声道气体超声波流量计进行计量。由于厂内现场环境恶劣（气质较脏、存在低频干扰等），原超声流量计在抗干扰和稳定性方面不尽如人意，同时考虑到流量计的使用年限及备用机的需求。2006年4月6日，吴淞公司安装了维思公司生产的CL系列双声道气体超声流量计，与原超声波流量计串联，下面是CL系列超声波流量计试运行期间的一些情况：
2.2.3.1 相对误差
该流量计2006年4月6日投入试运行，截止到10月31日CL系列超声波流量计共运行了209天，将现用超声流量计（编号为A，以下简称A机）和试用超声流量计（编号为B，以下简称B机）的日累积流量、出口压力、进口温度、出口温度数据进行对照。以A机为标准，将B机的测量值与之进行比较，得到相对误差见表1。
由表1可见，以上各项相对误差已能满足出厂煤气流量计量的要求。
2.2.3.2 安装操作方法改进
根据超声波流量计的应用技术要求，换能器表面必须保持清洁，但由于吴淞公司流量计安装地点离往复压送机较近，煤气介质中含有焦油等杂质会附着在换能器的表面，影响仪表的性能，所以根据有关规定换能器必须定期拆下清洗。而在CL系列超声波流量计换能器安装过程中遇到了操作不可控问题。因为按照CL系列气体超声流量计安装使用说明上的描述，每次安装时都必须严格控制换能器部件上高频电缆插座的最高处到换能器安装孔孔口端面的距离。即拆卸前后必须保证每对换能器的距离不变。由于现场操作环境因素、操作人员素质差异等因素，很难做到这一点，这样势必影响测量精度。后经维思公司有关技术人员在现场采取了定位措施，并在电脑中调整了换能器的距离数据后这一问题得到了解决。
2.2.3.3 虚假流量的消除
2006年6月2日至6月4日根据调度要求公司往复压送机全部停车，但根据报表显示CL系列气体超声流量计有虚假流量见表2。
由表2可见6月2日22时-3日6时停车，该时段里由于虚假量而产生的累积量为92.31m3。经过仔细分析和研究认为出现这一现象的原因是：超声波气体流量计在发射、接受信号时，由于受温度、压力、气体成份、流速等变化的影响，其接收信号的电平检测电路与测时电路无法正确检测出接收信号的前沿信号。为此，在接收信号中加入了自动增益控制电路。由于超声波气体流量计在出厂前自动增益电平设置是以空气为介质、零流量的条件下进行的，忽略了煤气中的CO2对超声信号有很大的衰减作用的因素，故造成停气时，也即煤气为介质、零流量时自动增益失灵，从而出现了流量检测不稳定的现象。后于2006年6月7日在现场当煤气介质零流量时，对自动增益电平重新进行了设置，最终解决了这一问题。
2.2.3.4 流量数据的离散现象
CL系列气体超声流量计在运行中，曾发生流量曲线离散的异常情况，大都会自行恢复正常。经分析产生这一现象的原因是：换能器表面结垢；换能器连接电缆线接触不良；导线屏蔽层脱落，造成接地不良；安装现场有强电磁或其他干扰。
在保证换能器表面清洁的情况下，对系统进行了检查，并采取了如下一些措施：
（1）解决接线盒积水问题：在保证换能器表面清洁的情况下，对系统进行了检查，发现现场计量管道上的接线盒中有积水现象，经仔细观察是接线盒的电缆引入接头密封不好，这样就可能会造成接线接触不良或接地不良，进而导致流量曲线离散。后更换了接线盒，解决了积水问题。
（2）增强抗干扰能力辅助措施：CL系列气体超声流量计数据离散现象随机出现，又会自行消失。经有关人员仔细分析研究，认为在流量计现场存在着较强的干扰源。为了增强抗干扰能力，2006年10月17日在流量计检测系统中加入了EMI电源滤波器和噪声滤波器，经观察，流量曲线品质确有明显改善。
经2007年10月吴淞公司现场气柜标定，上海维思公司CL系列超声波流量计自2007年11月起已正式用于产销双方人工煤气贸易计量。
2.2.4 在苏州河应用情况
2007年下半年，苏州河桥管超声波流量计改造完毕，采用维思公司CL系列双声道气体超声波流量计。
2.2.4.1 除测量元件外超声波流量计系统框图如下：
2.2.4.2 特点
维思公司吸取了之前超声波流量计的经验教训，在整个系统中设置了流量计算机和流量转换器，流量转换器中安装了工控机，这种结构对保持计量的连续性与数据的完整性是非常重要的。以气体流量转换器为核心，可实现超声数据的采集，温度、压力的输入，流量数据的运算、处理与存储等功能，亦可通过与流量计算机进行通信，在流量计算机的管理软件中对流量转换器进行设置，如修改气体摩尔组分、选择测试状态等。
流量转换器主要功能：
（1）超声信号的发射与接收；
（2）瞬时流量、累计流量的计算与存储；
（3）液晶显示各实时数据及参数；
（4）霍尔键盘输入可修改设置参数值；
（5）多方式信号的输出：频率脉冲信号、4∼20mA模拟信号、气体流向信号、RS232/RS485通信；
（6）可按照客户要求实现以天、月、年为时间单位的累计流量的数据统计及存储；
流量计算机与流量转换器通过RS232/RS485方式联机后，可实现以下功能：
（1）实时数据及曲线查看：累计量、瞬时量、温度、压力等；
（2）历史数据曲线查看；
（3）用户参数设置：报警范围、组分设定、通信接口、输出量程等；
（4）厂房参数设置：表体参数、曲线修正、测试状态选择等；
（5）历史数据的下载；
（6）文件上传与下载：可实现流量转换器程序的在线升级；
（7）时钟对时：将流量转换器与流量计算机时钟调整成一致，并以前者为基准；
自2007年下半年苏州河超声波流量计改造以来，该型号超声波流量计在其它硬件设施如压力变送器等正常运行情况下能基本实现流量计量的连续性和数据的完整性。
2.2.4.3 系统远程监控
由于流量计量系统基本都安装在无人职守的现场，充分考虑到此情况，因此该系统配有多种网络接入方式以实现远程监控。通过厂方提供的用户名及密码，可实现远程桌面共享，实时数据、历史数据、参数设置值、故障报警等一目了然，也可将流量机算计内的数据文件下载到客户本地计算机以便查看、备案及报表输出。
3 超声波流量计标定
为解决吴淞制气公司超声波流量计标定问题，经多方讨论，采用体积法标定，以该公司7.5万m3气柜为标准，标定气体超声波流量计。气柜体积（高度、直径）由上海计量测试技术研究院测定。
3.1 标定原理：
用现场经容积标定的气柜为标准，与使用中的被校流量计串联，校验时在一定时间间隔内把气柜排出的煤气量和流经流量计的煤气量均换算到结算状态（15.5℃、101.671kPa）进行比对，通过计算求取流量计的基本误差。
3.2 流量校验点
要求气柜三塔测试3台往复压送机排量，气柜二塔测试5台往复压送机排量，气柜一塔测试1台往复压送机排量，气柜各塔均至少进行3次校验。
3.3 标定注意事项
（1）该标定方法对气温温差与风力要求极高，一般在10月中下旬根据天气情况择日标定。
（2）图3中校验系统应进行气密性试验，在工作压力下，应没有漏气现象发生。
（3）7.5万m3气柜煤气贮满后静止储存8∼12h，气柜内煤气温度和压力尽量保持恒定。
（4）标定时气柜排出的煤气量由气柜高度变化计算而得，因此准确测量气柜在标定过程中下降的高度变化是标定过程的关键。
3.4 标定情况
2000年以来，吴淞制气公司超声波流量计共进行了四次标定，由于本标定方法受客观条件所限（以气柜作为标准器），存在一些不足之处，且标定中环境温度变化等因素对标定结果影响较大，故历次标定结果不理想居多。对该公司超声波流量计而言，用7.5万m3气柜进行标定仍是不得已的选择。
4 结束语
气体超声波流量计经过多年对人工煤气计量的应用，距最先应用的第一代同济大学声学研究所QL-3型超声波气体流量计而言，超声波流量计计量人工煤气已经取得了长足的进步。从上海维思仪器仪表公司CL系列气体超声流量计在苏州河和吴淞公司应用的情况来看，该流量计稳定性和可靠性较以往的仪表有了较大的提高，但该表有时还存在着流量曲线离散等问题，且超声波流量计的标定问题还未彻底解决，超声波流量计在人工煤气上的应用还有待于进一步的探索和研究。
