超聲波流量計與孔板流量計的比較

1 孔板流量計的使用要求

       孔板流量計(流量與差壓的平方成正比)的使用條件、使用范圍和對管道的要求：
(1) 流體：應(yīng)是單相、均質(zhì)的牛頓流體，在通過節(jié)流裝置時不發(fā)生相變和析出雜質(zhì)，在節(jié)流裝置中不得有任何形式的物質(zhì)黏附或聚集。

(2) 管道：僅適用于圓管，管徑大小有一定限制，上下游有很長的直管段，而且節(jié)流件上游10D、下游4D直管段的內(nèi)表面粗糙度、圓度要嚴格符合具體規(guī)定。

(3) 流態(tài)：流動應(yīng)是連續(xù)、穩(wěn)定的，不是脈動流；在受到節(jié)流元件影響前已形成典型的、充分發(fā)展的流速分布(紊流速度分布)，流線與管軸線平行，不得為旋轉(zhuǎn)流。

2 技術(shù)性能的比較

表1 超聲波流量計與孔板流量計技術(shù)性能的比較

2.1 量程比

         由于結(jié)構(gòu)特點，孔板流量計是通過節(jié)流元件來完成測量的，所以其量程比通常只有1：3，zui高可達1：10，而超聲波流量計沒有任何阻流件，其量程比可達1 ：200。 

          這兩個數(shù)據(jù)表明：如果實現(xiàn)一種測量方案，假定其流量范圍是從1m3/h ~ 40m3/h, 使用超聲波流量計只需要一路工藝計量回路就可以實現(xiàn)，如果采用孔板流量計，需要多路才能實現(xiàn)。

2.2 壓損 

      由于孔板流量計的結(jié)構(gòu)有阻流件，超聲波流量計沒有阻流件，那么顯而易見：孔板流量計的壓損很大，超聲波流量計壓損實際可以忽略不計。                                                                                                                                                                         2.3 精度

       孔板流量計的計量精度理論上可以達到1%，但是通過大量的實踐證明，由于孔板流量計抗干擾能力較差，現(xiàn)場精度zui高能達到2%，一般情況下在3% 左右。超聲波流量計的精度則可以達到0.5% 甚至更高。

2.4 測脈動流

      由于孔板流量計是靠孔板前后的差壓信號來實現(xiàn)流量測量的，脈動流會使孔板前后的差壓不準(zhǔn)， 所以孔板流量計不適合測脈動流， 而超聲波流量計可以測量脈動流的強度并消除其干擾，所以它適合測脈動流。

2.5 測雙向流

       孔板流量計依據(jù)一個節(jié)流元件來實現(xiàn)測量目的， 這個節(jié)流元件具有嚴格的方向性，因此孔板流量計無法測雙向流。超聲波流量計只與超聲信號在流體中的傳播時間有關(guān)，因此可以測雙向流。

2.6 測濕氣體

      孔板流量計不適合測量濕氣體；若被測氣體為濕氣體，那么在孔板流量計的前端容易積液，使得上下游差壓產(chǎn)生變化，而孔板流量計正是根據(jù)上下游的壓差來測量流量的，如果差壓產(chǎn)生變化，則孔板流量計不可能準(zhǔn)確測量氣體的流量。超聲波流量計具有自檢測功能，如果所測量氣體為濕氣體，對超聲波流量計產(chǎn)生影響時，儀表本身可以修正，因此超聲波流量計適用于濕氣體的測量(濕氣體體積組分含量低于5%)。

2.7 清洗計量管路

     孔板流量計本身有阻流件， 清洗球無法通過，因此孔板流量計安裝在管線上時無法在線清洗計量管路，只有拆除孔板流量計才能清洗管路。而對超聲波流量計來說，不存在這樣的問題。

2.8 渦流影響

       孔板流量計采用差壓法測量氣體的流量，渦流直接影響孔板兩端的差壓， 因此孔板流量計對渦流很敏感， 要求有很長的直管段才能滿足測量精度的要求。 新的標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167已經(jīng)對孔板流量計上游直管段的長度作了更高的規(guī)定：孔板流量計上游直管段至少要有44D，若孔板流量計上游有匯管存在，則上游直管段的長度至少要有145D。(詳見《流量計量學(xué)術(shù)動態(tài)及發(fā)展趨勢》(《中國計量》2002 年)或ISO 5167-2)。英國烴源公司下屬的南莫克姆天然氣計量站改造時， 請英國國家工程實驗室(NEL)做了詳細的流體動力學(xué)分析， NEL經(jīng)過大量試驗得出結(jié)論：原ISO5167規(guī)定的上游18D直管段確實無法滿足對計量精度的要求，修改后的ISO5167-2對直管段的長度規(guī)定是必須的。

而大多多聲道的超聲波流量計本身具有對渦流強度的分析能力，可以消除渦流對流量測量的影響，對渦流不敏感。

2.9 流速分布的影響 

            孔板流量計由于結(jié)構(gòu)原理的限制，要求測量時流速分布均勻，但是由于現(xiàn)場計量管路的復(fù)雜性，氣體在管路的流速分布是不可能均勻?qū)ΨQ的，因此孔板流量計對流速分布不對稱非常敏感。

超聲波流量計可以修正流速分布不對稱的現(xiàn)象。

2.10 重復(fù)性

      對于孔板流量計而言，隨著使用過程中孔板邊緣的磨損，孔板流量計的精度和重復(fù)性都會下降，而超聲波流量計無壓損、無示值漂移現(xiàn)象，重復(fù)性高。

2.11 工藝管路復(fù)雜性比較

      對于孔板流量計，由于量程比窄，計量管路多，而且上、下游直管段長，現(xiàn)場工藝管路復(fù)雜。

超聲波流量計量程比寬，上、下游直管段短，工藝管路簡單。

2.12 維修維護率比較

   孔板流量計有阻流件，上游易積液、對高含硫的天然氣，其孔板磨損快，維修維護率高。

    超聲波流量計無可動部件，特殊材料的超聲探頭可以抗H2S 的腐蝕，維護簡單。

2.13 一次性投資比較 

     孔板流量計由于量程比窄，對于相同的流量計量要求，其計量管路多，雖然直接的計量儀表投資少，但是相關(guān)的閥門、溫度變送器、壓力變送器、直管段、匯管等一次性投資多。

超聲波流量計單表價格高于孔板流量計，但是由于量程比寬，整個計量回路少，實際現(xiàn)場一次性投資少。

3 現(xiàn)場安裝使用的比較(見表2)

表2 現(xiàn)場安裝使用比較

(1) 直管段的長度

孔板流量計上有直管段至少要有44D，若孔板流量計上游有匯管存在，則上游直管段的長度至少要有145D。(詳見《流量計量學(xué)術(shù)動態(tài)及發(fā)展趨勢》(《中國計量》2002 年)或ISO 5167-2)。

超聲波流量計上、下游直管段要求為10D、5D(《用氣體超聲波流量計測量天然氣的流量》— 國標(biāo)GB/T 18604-2001)。

(2) 安裝的影響

       對于孔板流量計，安裝條件直接影響其計量精度，對現(xiàn)場安裝的同心度要求很高。

(3) 使用條件

       由于孔板流量計的原理決定其現(xiàn)場使用條件必須與設(shè)計條件相符，壓力、流量的適應(yīng)性差。

超聲波流量計對現(xiàn)場的適應(yīng)性*，對壓力、流量的波動不敏感，有較強的過載能力。

4 長期使用的比較

(1) 精度變化

       孔板流量計由于長期使用，孔板入口邊緣磨損，孔板彎曲變形，都會使精度喪失。 
   
      超聲波流量計由于無磨損、無示值漂移現(xiàn)象，可以長期保持較高的精度。

(2) 臟污的影響

     由于孔板流量計由節(jié)流件，長期使用時，臟污物將堆積在孔板的上游，造成差壓信號不準(zhǔn)，直接影響計量精度。臟污和孔板鈍化可造成計量偏差2～10% 以上。

      超聲波流量計為中空管段，探頭在儀表上部，臟污不易影響探頭工作，不會影響計量精度，而且流量計可以檢測臟污情況并修正和報警提示、及時進行清洗。

(3) 故障排除

    由于孔板流量計的儀表特性取決于節(jié)流件的幾何形狀和尺寸，需要經(jīng)常檢查節(jié)流件，一旦節(jié)流件發(fā)生變化就必須更換，節(jié)流件的壽命取決于氣體的組分、流量及壓力。 

      超聲波流量計本身具有很強的自診斷功能，一旦不在正常狀況就會報警，并自動記錄報警期間的數(shù)據(jù)，超聲探頭的使用壽命至少為8年，并可在線更換。

(4) 備品備件
 
      孔板流量計由于節(jié)流件經(jīng)常磨損、變形，因此需要備多套節(jié)流件；超聲波流量計只需要備一套探頭，可替換使用。

 5超聲波流量計在石油化工計量中的應(yīng)用

51 時差法超聲波流量計測量成品油

      超聲流量計是一種推導(dǎo)式流量計，它的基本原理如圖2所示。高頻聲脈沖從上游換能器A傳送到下游換能器B的時間為

T1=L/(C+Vcosθ)

而從下游換能器B傳送到上游接收換能器A的時間為

T2=L/(C-Vcosθ)

式中，L—聲道距離；C—液體中的聲速；θ—聲道和管道軸向的夾角；V—管道中的平均軸向流速。

由上式可以推導(dǎo)出

V=(L/2cosθ)*[(T2-T1)/(T1*T2)]

圖2 時差法超聲波流量計基本原理圖

這種測量方法從理論上講，只能測得在聲道上的流體速度。我們希望得到管道被測截面的平均流速，但在實際管道運行中總會存在有匯管、大小變徑管、三通和彎頭等，實際運行中不可避免的會產(chǎn)生在被測截面上的不對稱流、橫向流和旋渦流，這將大大降低平均流速的測量準(zhǔn)確度。智能化的超聲波流量計采用多聲道測量，并通過智能檢定軟件的診斷和報警功能監(jiān)測流量計運行狀態(tài)；調(diào)節(jié)各聲道的自動增益；測量各聲道的流速分布及每一個聲道的聲速計算，以便校正橫向流、旋渦流和不對稱流；當(dāng)被測液體密度、粘度變化時，可以通過測量聲速反推出不同油品的密度、粘度，這樣就可以用超聲波流量計代替密度計，解決處理混油段技術(shù)。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)體積管實流標(biāo)定超聲波流量技術(shù) 

             雙向標(biāo)準(zhǔn)體積管是一種標(biāo)準(zhǔn)容積式機械設(shè)備，在U型標(biāo)準(zhǔn)管段進出口上裝有兩個(或四個)檢測開關(guān)，一個排液球或者活塞。當(dāng)觸動*個檢測開關(guān)時，排液球進入標(biāo)準(zhǔn)段，當(dāng)這個球觸動U型管另一端第二個檢測開關(guān)時，排液球離開標(biāo)準(zhǔn)段。

              超聲波流量計的測量原理決定了脈沖和真實流速(流量)有一個固定延時。而管道中的流體擾動是很復(fù)雜的，它包括多次擾動渦流和非軸向速度成分，超聲波流量計沿著一個或多個采樣聲道，通過超聲波發(fā)射器和接收器上的正反向時差，檢測并推導(dǎo)計算出流體流速。上述原因，檢定一臺超聲波流量計性能是否穩(wěn)定，應(yīng)該有如下特點需要設(shè)計工程師注意：

(1)為了使被檢測超聲波流量計儀表系數(shù)的不準(zhǔn)確度控制在±0.027%，建議設(shè)計工程師在計量系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該考慮超聲波流量計的公稱通徑和標(biāo)定運行次數(shù)來選擇雙向標(biāo)準(zhǔn)體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積其關(guān)系如表3所示：