文介绍了几种流量计中应用最精确、最广泛、技术水平最超前的超声波流量计。随着工业的发展及市场的逐渐成熟，超声波流量计的应用会越来越广泛，在储存交接和财贸核算应用领域也更全面而广泛，其优越的使用性能已得到各方面的认可。随着市场的全面展开，其价格的市场调整会更趋于合理。另外，电磁流量计的应用在长时间内会有应有的市场份额，质量流量计和涡街流量计对流量计市场是一个完 善的补充。而诸如孔板流量计等由于本身的缺点（诸如误差大等）今逐渐淡出市场。

1.引言

根据测量原理不同，目前现场应用较多的流量计可分为电磁流量计、质量流量计、涡街流量计、超声波流量计。其中超声波流量计又可分为时差式超声波流量计、多普勒超声波流量计、气体超声波流量计。超声波在流体中的传播时间差是纳秒级的，要想准确测量比较有难度，这里采用多脉冲时间差法进行测量，避免测量微小数量级的时间差，改为测量N个时间差之和，同时设计了阈值电路，过零电路来准确确定超声信号发射和接收时刻，减小测量误差，提高测量精度，增强了抗干扰能力。利用现有条件，对多脉冲时间差的测量进行试验，采用平均数字滤波方法对数据进行分析。结果表明，该超声流量计具有高的准确度和可靠性，保证了测量精度，简化了电路设计，大大降低了设计成本，达到了预期设计要求。

2.电磁流量计

电磁流量计是一种应用法拉第电磁感应定律的流量计，其传感器主要由内衬绝缘材料的测量管，穿通测量管壁安装的一对电极和用以产生工作磁场的一对线圈及铁心组成。当导电流体流经传感器测量管时，在电极上将感应与流体平均流速成正比的电压信号。该信号经转换器放大处理，直接显示流量及总量并可输出模拟数字信号。如图1所示。

一般电磁流量计仅应用于满管测量导电流体的流量。以 DS系列电磁流量计为例，其最大的特点是：电磁流量计电极内装  Pt电阻温度

检测，用以修正体积温度的影响。从而保证了流量计的精度。目前，公司正着手研制非满管电磁流量计及测量更低电解液体的流量计。非满管电磁流量计需测量管内液体高度。利用两励磁绕组分别正向和反向串接，产生两种不同磁场强度和磁场分布下测得的流速信号电势，而电势之间的比值与液位高度有一定的函数关系。从这一关系求得管

内液位高度，推算出流体的通截面积，与传统电磁流量计相同方法测得的流速相乘，求得体积流量。非满管里流量计一旦问世，其应用可扩大到具有自由表面自然流的下水排放领域，并提高该领域的测量精确度。将传统非满管流或明渠流的测量误差从用槽式仪表的± (3~5)%FS降到用电磁流量计的±(1~2)%FS。测量更低电释液体的流量计（称为无电极电磁流量计）是利用流量计不能测量的甘油、乙

二醇等。这类仪表几乎不存在浆液噪声和流动噪声，也不会产生电极表面效应形成的噪声。衬里内表面覆盖油脂等非导电层或结薄绝缘垢层也不会影响测量。电磁流量计的另一个发展方向为低功耗和二线制电磁流量计的研制。二线制不需另外外接激磁电路，反用4mADC电流提供仪表所需功率，通常反数十毫瓦。低功耗电磁流量计将采用干电池或太阳电池，更方便地将电磁流量计装用于无市电供电的场所。公司插入式电磁流量计已试制成功，使插入式电磁流量计在大管径的应用领域处于有利地位，也解决了帮压安装电磁流量计的难题。

电磁流量计的另一个发展方向是以工业转向居民民用领域。降低电磁流量计测量精确度和性能，如基本误差定位在±2%(工业用一般±0.2%~±1%)，设计成具有水表特点的电磁水表。在日本，这类电磁式水表已纳入日本水表标准。

3.质量流量计

质量流量计是利用科里奥利原理，即利用测量管下半部分振动频率相位差正比于质量流量以测量流量，利用测量管谐振频率与管中被测介质密度间的函数关系求取密度，从此两个基本参数质量流量  qm和密度ρ衍生得出体积流量qv(=qm/e)，若被测液体是两种有一定密度差相溶或不相溶混合液体，经密度演算得出一种液体在混合液中的浓度，如油甲油水混合液的含水率，在测量液固双相流中可测出含固率。

科里奥利质量流量计降低精确度(量程误差从±0.2%左右降低到±0.5%)，功能减少，设计普及型仪表的价格只有传统科里奥利质量流量计的50%～70%，还向价格更低的标准推进。

微小液体质量热式流量计，其流量范围1~1000g/h，基本误差±(0.5~1)%FS。当前主要应用于化学、石化、食品等流程工业实验性装置。如美国Brooks公司的Flomtgn型，荷兰Bronk horst Hi-Tech公司的Liqui-Flow型和μ-Flow型微量流量计。

热式质量流量计应用于气体小流量测量，较多地应用于半导体工业、热处理炉、分析仪器等氢、氧、氨等流量测量和控制以及阀门制造过程中测定泄漏量等。国外近年来热销的插入式热式流量计，主要应用于环境保护和流程工业大中型管道。如水泥工业竖式磨粉机排放热气流量控制等。

4.涡街流量计

涡街流量计漩涡发生体分离的漩涡频率f 正比于流速v(f=k1v，k1为系数     )，同时承受与  ρv2成正比的升力F(F=k2ρv2，ρ为流体密度，k2为系数)。以f除以F，再乘流通面积A，便可求得质量流量qm，即qm=(F/f)A=(k2ρv2/k1v)A=kρvA

式中k为仪表系数，k=k2/k1

目前涡街流量计配用差压变送器及温度传感器清除压变及温度产生的测量误差，使涡街流量计的测量精度大大提高。

公司的  DS时差式超声波流量计的发展根据安装方式可分为三个方式，即外夹安装方式形式、插入式安装方式阶段及法兰式安装方式。三个阶段的产品互为补充，满足不同用户现场的需要，解决了不同现

场的问题。外夹式超声波流量计对于流量巡检、跟踪采集、流量平衡、泄漏检测、流体设备故障粗诊断、食用、医药用液体及化学水、除盐水的测量不可替代。而插入式超声波流量计则解决了管道不规则、垢厚、锈蚀等外夹式解决不了的问题，同时可带压安装，不停流停产。特别是对于大管道是非常经济的选择。插入式超声波流量计因为

传感器固定安装不易挪动，减少了安装误差，其精度可达

±0.5%，法兰式超声波流量计的优点是安装省心，其精度

更高，可达±0.2%。美国生产的LO-FLO微量涡街流量计对微小流量的测量精度可达±0.5%，被测管位可以为几个毫米。目前，涡街流量计市场价格趋于成熟。

5.超声波流量计

超声波流量计，顾名思义，是一种利用超声波对流体流量进行测量的装置，那么问题来了，超声波流量计真的如同字面意思一样吗？一样的话，它又是如何利用超声波来完成对流体流量的检测的呢？

5.1超声波流量计原理

超声波流量计，英文名称为 Ultrasonic  flowmeter，是一种利用速度差法的原理来对管内液体流量进行测量的装置，可分为外夹式和管段式，常与数字信号处理技术、多脉冲技术、纠错技术等结合使用以达到适应环境、增强其可靠性等目的，现已在化工、电力、石油、冶金等领域得到广泛应用。

5.2超声波流量计原理结构

超声波流量计主要由超声波发生器、超声波接收器、电子线路、流量显示、累积系统几大部分构成。其中，超声波发生器主要用于产生超声波并将其发射到流体中；超声波接收器主要用于接受通过流体后的超声波；超声波被接收到后经电子线路的放大、转换等处理后以电信号的形式将流量传送给显示屏并将结果显示出来；累积系统完成

流量的累加计算。

5.3时差式超声波流量计

其工作原理为超声波在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小的变化，其传播时间的变化与液体的流速成正比。

公司的  DS时差式超声波流量计的发展根据安装方式可分为三个方式，即外夹安装方式形式、插入式安装方式阶段及法兰式安装方式。三个阶段的产品互为补充，满足不同用户现场的需要，解决了不同现

场的问题。外夹式超声波流量计对于流量巡检、跟踪采集、流量平衡、泄漏检测、流体设备故障粗诊断、食用、医药用液体及化学水、除盐水的测量不可替代。而插入式超声波流量计则解决了管道不规则、垢厚、锈蚀等外夹式解决不了的问题，同时可带压安装，不停流停产。特别是对于大管道是非常经济的选择。插入式超声波流量计因为传感器固定安装不易挪动，减少了安装误差，其精度可达±0.5%，法兰式超声波流量计的优点是安装省心，其精度更高，可达±0.2%。

时差式超声波流量计不仅可以测流体流速、流量，还可利用声速在不同液体中的差别鉴别管道中液体类别 。目前，低耗电的超声波流量计已应用于市场(功率<2W)大洋伯斯特电子公司研制的超声水表已经推向市场，进一步扩大超声波的市场领域。随着价格的走低，其电池供电的超声水表除应用于无电源的现场外，还将会转向民居实用领域。

5.4多普勒超声波流量计

多普勒超声流量计其工作原理是流体管道内任何流动的液体都存在不连续的扰动，诸类不连续的扰动可以是悬浮的固体颗粒，气泡或由于流体扰动而引起的界面，这种扰动使反射的超声波产生频移△f，频移△f是流速的线性函数。通过测量频移△f，即可测量管道内流速(或流量)。

随着技术的进步，多普勒超声波流量计的发展不仅可测量带悬浮颗粒及气泡的污浊液体，也可测量纯净流体。

流量计就具备这种特点。多普勒超声波流量计的市场价格较稳定，短期内无大的变化。多普勒超声波流量计原理参见图4所示。

超声波流量计通过检测流体流动对超声波产生的影响来对液体流量进行测量，其利用的是“时差法”。首先，使用探头1发射信号，信号穿过管壁1、流体、管壁2后被另一侧的探头2接收到；在探头1发射信号的同时探头2也发出同样的信号，经过管壁2、流体、管壁1后被探头1接收到；由于流速的存在使得两时间不等，存在时间差，因此根据时间差便可求得流速，进而得到流量值。

5.5超声波流量计的优缺点

由于超声波流量计利用超声波对流体的流量进行测量，因此其不仅可以测量常规管道流量，还可以测量不易观察、不易接触的管道的流量；其不仅可以测量常规流体流量，还可对具有强腐蚀性、放射性、易燃、易爆等特点的流体进行流量的测量。超声波测流体流量的范围如此之

广，但其也有缺点所在。超声波流量计对所测流体的温度范围有所限制，目前我国的超声波流量计仅可用于   200℃以下流体的测量；而且，超声波流量计的测量线路相当复杂，若需测量结果准确度为1%，则对声速的测量准确度需达到10-5～10-6数量级，对测量线路要求较高。

5.6超声波气体流量计

近年来应用于蒸汽、储存交接和财贸核算、民用住宅天然气消费计量等领域。气体用超声波流量计因超声波在固体与气体界面间的传播效率低，管道外夹装换能器难以经管壁传送足够的声能，目前大部分将超声换能器伸入管道，直接向气体发射和从气体接受声波。气体流量计大部分是由超声波流量传感器组成，但也有插入式换解器安装于待测管道的结构。当前国外能源开发，天然气比石油发展快，促进了过去发展缓慢的气体超声波流量计发展。气体超声波流量计与传统用的气体涡轮流量计和气体容积式流量计相比，具有无压力损失的优点，所节省的泵送费用可观，且无活动部件，因此在天然气工业方面应用发展很快。超声波气体流量计可测高达480℃的过热蒸汽。

5.7超声波流量计使用技术探讨

（1)工程案例。超声波流量计在炼油厂计量中应用的情况，并着重探讨在使用和检维修中所采取的技术措施。石化总厂炼油厂的水计量逐渐使用超声波流量计。由于超声波流量计的显著优点，尤其对较粗管线 (DN80以上)而言，安装方便，整体投入费用小，因此广泛地使用在该厂的循环水、除盐水等水计量上，并取得了较为准确的计量效果。

(2)影响超声波流量计准确度的技术因素。按照测量原

理划分，超声波流量计测量流量的方法使用最多的是传播速度差法和多普勒频移法。其中传播速度差法又可以分为时间差法、相位差法和声循环频率差法。在该厂使用的超声波流量计中，基本上采用的都是时间差法。因此，以下主要就影响时间差法超声波流量计的方面进行探讨。

(3)安装直管段的长度。在安装时，除了要选择流体

流场分布均匀的部分，还要保证足够的直管段要求，以便使流体形成稳定的速度分布。一般要求上游直管段为(5~l0)D(D为管径，下同)，下游直管段为(3~5)D。另外，要尽量远离泵和阀门，泵应该距离测量管段上游50D，流量控制阀应该距离测量管段上游30D，如果直管段长度达不到要求，会造成测量准确度的下降。

(4)工艺管道参数。在工艺管线上，尤其是在旧管线上安装使用超声波流量计时，一定要得到准确的工艺管道参数。如管道的外径、壁厚、材质、衬里等。对于比较脏污的管线，还要把结垢考虑为衬里，以求得较为准确的测量结果。

(5)安装方式和位置。由于管道中的气泡和杂质会反射或者衰减超声波信号，给测量带来很大的误差，因此在安装时一定要选择正确的安装方式。换能器探头安装在倾斜和水平管道上时，一般应该尽可能使换能器探头处于和水平面成45°角的范围内，即应该水平位置安装。这样就可以使被测流体中的气泡聚集在管道的上方，而大的杂质则

沿着管道的底部流动，从而对超声波在流体中传播的影响减少到最小程度。另外，安装的部位要保证一定的背压，从而使管道内充满流体，没有气泡或者气泡较少，参见图5所示。

(6)其他因素。选择管道材质均匀密致，易于超声波传

输的直管段；选择管线震动小，方便安装和维护的位置；安装换能器探头部位的去漆、除锈及砂平；选用合适的耦合剂，并在安装时均匀地涂抹在探头安装部位；选择准确的流体类型；准确测量换能器探头的安装距离；选择配套的探头类型；保证换能器探头部位的温度在可工作的范围内。

5.8生命周期装备管理

（1)使用中的维护和检修。在实际的使用中，由于现场安装换能器探头部位的管线震动、温度变化，管道内结垢情况的变化，以及超声波流量计电路工作点的漂移等因素，可能造成测量不准确，因此，需要定期的对超声波流量计进行检查和维护。常规的工作如下。

(2)信号强度和信号良度的检查。信号强度  (SignalStrength)用以表示上下游探头的信号强度；信号良度(SignalGoodness)用以表示上下两个传输方向上的信号峰值，用以辅助判断接受信号的优良程度。这两个信号如果检查变坏的话，就需要检查探头的安装是否已经松动或者耦合剂硬化失效，一般就需要重新安装探头，以保证这两个信号的

数值在合适的范围内。

(3)传输时间和传输时差的检查。传输时间(Total Time)用以表示超声波平均的传输时间；传输时差(Delta  Time)用以表示上下游传输时间差。这两个信号是超声波流量计计算流速的主要依据，特别是传输时差最能反映流量计是否工作稳定。如果这两个信号不稳定的话，应检查安装点是否合适，设置数据是否正确。

(4)电流环模拟输出的检查。因为在该厂的实际使用中，都是将超声波流量计作为变送器， DCS接收超声波流量计的信号，然后再进行计量统计的。因此，超声波流量计的电流环模拟输出的准确性就需要保证。在实际的工作中，可以以一年为检修段，对电流环模拟输出进行校验和修正，以保证DCS的准确计量。

(5)定期标定和校正。经过一段时间的运行后，需要对超声波流量计进行实际的流量标定，以确保测量的准确性。在实际的工作中，笔者用一台富士公司生产的FUJIElectric便携式超声波流量计与被标定的超声波流量计进行测量比对，从而确定实际的流量大小。

(6)管道的清洁和除垢。换能器探头部位管道内的结垢

比较严重的话，就要考虑进行管道内部的清洁和除垢，以确保超声波信号的传输不受影响。实际工作中，可以以检修段为限，进行管道内的清洁，或者敲打管道壁，以震落结垢层。

在对全厂检修中，该厂对陈旧结垢严重的管线进行局部开口，并焊上同样材质的管材，以保证探头部位的清洁。在之后的运行中，取得了较为准确的流量测量。

5.9超声波流量计市场瞭望

（1）标准发展。科学技术的发展和流量测试技术研究的深入，近几年来气体超声波流量计的问世引起了流量界广泛的兴趣。美国 AGA于1998年发布了AGA9号报告《用多声道超声流量计测量天然气流量》；之后不久ISO于同年12月也发布了ISO/TR-12765《用时间传播法超声流量计测量封闭管内的流体流量》技术报告。为了适应我国西部天然气开发，满足西气东输工程的要求，我国于 2001年内编制

了GB/T18604《用气体超声波流量计测量天然气流量》的国家标准。同时，为了验证该类型流量计的性能，西南油田分工司率先首批有针对性地引进了国外两个公司的超声流量计产品，并在华阳天然气流量测试中心，对其性能进行了系统测试，之后在典型站场上进行了工业性试验，为今后该类型流量计在我国天然气领域中的推广使用提供了宝贵经验。

(2)贸易标准。准确地进行天然气流量测量是企业部门进行经济分析，降低运行成本的关键一环，直接地影响着一个企业的经济效益，倍受供需双方关注。随着世界能源供求日益紧张；人们都十分关心并寻求一种精度高，适应性强的流量计来测量天然气流量，以维护企业的利益。超声流量计自投放市场以来，与目前其他类型流量计相比，显然，有着更多更好的性能特性，因而备受人们青睐。近几年，在北美及加拿大新建设几条大型输气管道工程中，如AIIiance管线、Vector管和北部边疆等管道工程中已开始用超声流量计，作为贸易计量，应用效果已得到证实。最近五年来，我国先后从国外引进了超声流量计约   330台，西南油田分公司占三分之一。据不完全统计，我国目前所

使用的超声流量计约占世界使用量的   5%，可见我国流量界是相当关注这一新型流量仪表。目前，正在建设中的新疆轮南至上海的西气东输工程，贸易计量的首选流量计为超声流量计，口径 DN250~300mm；中小型站场选用DN50~200mm涡轮流量计。随着我国天然气工业的发展，超声流量计在天然气工业领域中的应用前景看好。

6.结束语

随着科学技术发展，出现新型流量计是必然的。然而由于天然气流量测量技术本身涉及面广，随着对象不同，对流量计有着不同的要求，也就是说客观上多种流量计并存，才能满足不同场合和层次的需求。尽管超声流量计与目前使用广泛的孔板流量计相比，有着更多的优点，主要反映在有较低的系统基本投入，双向测量，大量程比，无

压损，无可动部件和高精度等。但由于孔板流量测量技术历史悠久，标准化程度高，使用简单可靠，一般无特殊要求时无须标定等特点。由此可见，尽管超声流量计已问世，它只能起到互补作用，可以肯定不可能完全替代。在今后相当长一个时期内，由于种种因素的制约，特别是标定不能获得妥善解决之前，孔板流量计仍是天然气计量主

要手段之一。