前言
利用超声波计量液体流量在国内外已应用多年，由于天然气超声波流量计与传统的孔板流量计和涡轮流量计相比具有精度高、不节流、量程比高，可节省一次性投资30%~50%等几大优点，使其在气体计量领域具有强大的优势。随着大庆油田乃至全国天然气勘探、开发的不断深入，天然气计量工作变得越来越重要，如果能用超声波流量计替代传统的节流型流量计或涡轮流量计计量天然气，不仅可提高计量精度，还可以提高经济效益。
测量原理
超声波流量计是一种非接触式测量流量的仪表，利用超声波在流体中的传播特性来测量流体的流速和流量。它的两个超声波换能器（又称超声波探头）分别安装在管道外壁两侧，以一定的倾角对称（见图1a）或在同侧（见图1b）。
超声波换能器通常采用锆钛酸铅陶制成，在电的激励下，换能器产生超声波以一定的入射角射入管壁，在管壁内以横波形式传播射入流体，并以纵波的形式在流体内传播，最后透过介质，穿过管壁被另一换能器所接收。在测量时两个传感器互为发射和接收探头，为保证两个方向传输的超声波处于相同的气体流速下，设计时使两个换能器同时向对方发射超声波。
按测量参数的不同，其测量原理可分为时差法、频差法和相位差法3种，本文仅介绍常用的前两种类型。以图1a为例，传感器与管线法线的角度为θ1，δ为管道壁厚，D为管道公称直径。超声波脉冲信号的传播速度为c，流体速度为v，两个传感器（T1和T2）之间的连线与天然气流动方向的夹角为θ，则超声波速度在天然气流动方向上的分量vcosθ，与流体速度叠加后的合速度为c±vcosθ。即当超声波水平速度分量方向与流体流速方向一致时两者的合速度为c + vcosθ，反之为c - vcosθ。
1. 频差法计量原理
当T1发射T2接收时，T1到T2的传输时间为
（1）
当T2发射T1接收时，T1到T2的传输时间为
（2）
对二式整理后得到
（3）
则两个方向的频率差为
（4）
从（4）式可见：测到频率差即可得到气体流速。由此可计算出体积流量，即
（5）
近而，可得天然气日产量公式
（6）
2. 时差法计量原理
对（3）式整理得
（7）
这样测到时间差t12和t21两个时间参数即可求得气体流速v，从而得出天然气日产量公式
（8）
从（6）式、（8）式可以看出，利用超声波流量计测得的天然气日产量Qd与超声波脉冲信号速度无关。
性能特征及应用范围
1. 与其它类型流量计性能对比
天然气超声波流量计与孔板、涡轮、涡街等传统流量计相比，具有适应性强，操作方便等特点（见表1）。
表1 4种流量计性能对比
项目孔板涡街涡轮超声波量程比1:3（4）1:401:501:40-1:160压力损失很大较小较小无对涡流敏感度很敏感很敏感不敏感（加整流器）不敏感对流速分布敏感度很敏感很敏感不敏感（加整流器）不敏感测脉动流不适应不适应不适应适应测双向流不能不能不能可以测湿气不能不能不能可以清洗管道不能不能不能可以是否接触被测量介质是是是否探头是否受测量介质腐蚀、磨损是是是否
2. 应用范围
由于天然气超声波流量计具有以上优良性能特征，所以被越来越广泛地用于以下方面：① 试气产量计量；② 天然气贸易输送交接时的流量计量；③ 地下储气库的流量计量；④ 控制气体压缩机；⑤ 气体调和；⑥ 天然气输配时的流量计量；⑦ 天然气流量测量站和调节站；⑧ 校验孔板流量计等传统的贸易计量用气体流量计；⑨ 输气管线的检漏；⑩ 锅炉蒸汽的计量；⑾其它气体（如CO2、煤气等）。
计量精度影响因素及对策
1.直管段长度
经检定合格的超声波流量计（1.5公称级）在其它检定条件不变的情况下，仅将前直管段（公称直径D=25mm）长度由85cm改为26cm，超声波流量计的测试数据表明（见表2），准确度降到了2.5级。这是因为超声波流量计是一种速度式流量计，在测量中必须保证一定长度的直管段，以形成稳定的速度分布。一般要求前直管段为10D，后直管段为30D。另外，被测管道要远离泵、阀等流体流动紊乱的地方。泵应离被测管段上游50D处。而流量调节阀则应为30D。
表2 直管段长度的影响
流量/（m3/d）直管段长度测量结果/（m3/d）相对误差/%重复性误差/%不满足条件满足条件10001011.365991.6322.300.5720001977.2351988.962-0.500.5230002903.2232956.657-1.590.2040003918.3583990.751-1.820.3650004890.1254980.649-1.800.2260005948.9856062.568-2.120.19
2.安装方式
由于杂质会中途反射或衰减超声波信号，给测量结果带来很大误差。所以，在使用中要正确地安装探头，一般应水平安装，尽量避开垂直方向安装，这样就可使大的杂质沿管道底部流动。另外，由于有些流量计只能单向使用，故要注意安装方向。使用这样的仪表要考虑误操作可能产生的反向流动，必要时可以安装单流阀。
3.杂散电频干扰
有些仪表的输出信号易受大功率电源的影响，使输出信号波动异常。通常厂家会给出连接电缆的型号和合理的连接方法。当输出电频较低时。应考虑用前置放大器放大输出信号。信号电缆应尽量远离电力电缆和电源，以避免电磁干扰和射频干扰。
4.环境温度
环境温度的急剧变化一方面会影响天然气的流动特性，另一方面会影响环境湿度变化。高湿度会使电子元件绝缘性能下降；低湿度会感生静电。所以，测量时应充分注意环境温度急剧变化对测量结果的影响，必要时可以给仪器加装防护罩。
5.两个探头间安装距离
为了使发射探头发射的声波能较完全地被另一探头接收到，必须正确选择两探头在管壁上的安装距离，如图1a两探头间的安装距离为
L = 2δtgθ1+Dctgθ （9）
由（9）式知道，在使用超声波流量计测量前，必须已知管径参数，包括管道外径、管壁厚，同时还必须知道θ1、θ，而θ1与管壁材料有关，θ与被测介质有关。如果能够得到声波在管壁中的传播速度和在被测介质中的声速，就可以利用折射定律求得上述两个夹角。所以，还必须知道管道材质和被测介质的类型，由这些参数就能够计算出两探头问的轴向安装距离。
结论
1.天然气超声波流量计具有计量精度高，不节流，无压力损失等诸多优点，特别适合天然气的在线计量、高精度贸易计量及其它气体的计量。
2.要使用超声波流量计进行天然气精确计量，必须充分掌握它的工作原理、性能、安装方法和一些相关的注意事项，以确保它的有效运行。
参考文献
[1] 刘蔚.超声波波流量计在管道煤气计量中的应用.工业计量.2000（4）：35-37
[2] 董浩然.超声波波流量计的选型及应用.工业计量.2002（2）：49-50
