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随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其测量准确的优点，也使其成为化工行业测量流速的首选工具。
1.超声波流量计的测量原理
超声流量计是通过检测流体流动时对超声束的作用，以测量体积流量的仪表。超声波流量仪的传感器是将传感器直接捆绑在被测管道的外表面，从而实现流量测量的一种安装方式，解决了其它原理的流量仪在安装时必须断管、停产的难题，是超声波流量仪的基本安装方式，具有与管径无关、安装简单、无需停产、无压力损失等特点。超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法，其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。设流体中声速为c，流体流动速度为v，把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成?兹角，换能器的距离为L。从P1到P2顺流发射时，声波传播时间t1为：t1=L/(c+vcos?兹)从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间t2为：t2=L/(c+vcos?兹)
超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，吸收器吸收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。传感器具有：方便安装的外缚式、可靠工作的插入式、高可靠高精度的标准管段式、超高精度的标准型?仔管段式。超声波流量计的重要特点是：流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力丧失；能用于任何液体，特别是具有高黏度、强腐化，非导电性等性能的液体的流量测量。
2.超声波流量计的现场应用情况
在相距为L的两处放置两组超声波产生器和吸收器（T1，R1）和（T2，R2）。当T1顺方向，T2逆方向发射超声波时，超声波分辨达到吸收器R1和R2所需要的时间为t1和t2，则t1=L/(c+u)t2=L/(c-u)由于在工业管道中，因此两者的时间差为t=t2-t1=2Lu/cc由此可知，当声波在流体中的流传速度c已知时，只要测出时间差t即可求出流速u，进而可求出流量Q。
3.超声波流量计的现场管理
3.1是传播时间法只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体，外夹装换能器不能用于衬里或结垢太厚的管道。一般均安装于水平、倾斜或垂直管道，垂直管道最好选择自下而上流动的场所，以防止测量点出现非满管流。
3.2是流体运行流速不能过低，过低的流速会使离散体分布不均匀。若测量管水平安装，气体会浮升在顶部流动，颗粒会沉淀于底部。最低流速通常为0.1-0.6m／s。
2超声波流量计选型的注意事项
超声波流量计选型工作较为复杂，关注的内容包括：被测的介质类别、仪表的性能和参数、换能器的类型、功能及适用的范围、声道的设置、前后的直管段长度的要求等等。选型应当注意以下几个方面：一是要了解被测对象的现场情况和物理的特性；二是其信号的处理单元必须适合户外、爆炸、危险性等类型的场所进行安装，防爆和防护的等级必须符合现场的要求。二是换能器的前后应有一定长度的直管段，从而确保流体流速的分布，通过要求前面的直管段在10D以上，而后面的直管段就在5D以上，并且其上游30D之内，不可以安装阀、泵等扰动设备。三是换能器要安装于倾斜及水平的管道上的时候，不能装于上部或者底部，避免管道中的气体或者杂质进到测量的声道当中。四是换能器安装必须使超声波的传播路径经过管道的中心。四是要区分被测对象进行选型，气体用的换能器频率一般在100至300KHz，而液体用的换能器频率一般为1至5MHz。
3超声波流量计在石化行业计量中的应用
3.1用时差法超声波流量计来测量成品油超声波流量计可以进行多声道进行测量；能通过报警功能和智能检定软件诊断来监测其运行的状态；能对各声道自动增益进行调节；能够测量出各声道流速的分布、进行第一声道声速的计算，从而校正旋涡流、横向流及不对称流；在被测的液体密度和粘度发生变化的时候，能通过声速的测量来反推油品密度和粘度，从而利用超声波流量计替替代密度计，解决处理混油段技术。
3.2标准体积管实流标定超声波流量技术双向标准体积管属于标准容积式的机械设备类型，在U型的标准管段的进口和出口装着检测开关两（或四）个，排液球或活塞一个。触动首个检测开关，排液球进到标准段；排液球触动第二个检测开关，则离开了标准段。超声波流量计进行测量的原理说明，其脉冲与真实的流速（或流量）会有固定的延时。然而管道中流体的扰动很复杂，会包括多次扰动的涡流及非轴向的速度成分。超声波流量计沿一或多个采样的声道，通过发射器与接收器的正反向的时差，可以检测、推导、计算出流体的流速。
相对于传统技术技术新型天然气超声波计量技术具有更高的准确度，但是这种计量技术的计量结果也会受到一定因素的影响，为了保证获得准确的计量结果本文将对影响计量结果的因素进行分析，并且探讨实际运用中应当注意的问题。
一、天然气流量计量中气体超声波流量计的应用
天然气流量计量主要是通过多参数测量实现的，并且还需要设置相应的流量比对装置以确保测量的准确性。为了进一步保证实验数据的准确性和有效性，将一套标准孔板流量计与气体超声波流量计进行串联运行。选用的气体超声波流量计为四声道，具有300mm内径，流量范围是240~6405m3/h。
（一）气体超声波流量计准确度与超声的关系
表1阀门1控制流量、阀门2全开时气体超声波流量计的运行气体超声波流量计测量准确度会受到被测介质内部噪声的影响。如果采用气体超声波流量计这种方法来控制流量的大小，那么其节流的声音与流量的增加是成正比的关系，标准孔板流量计与气体超声波流量计之间的相对误差就会加大，这就会发生这两种流量计所计算出来的流量严重不相符。当阀门1全部打开的时候，在阀门2控制流量大小的情况下，气体超声波流量计的信噪会相对比较大，标准孔板流量计和气体超声波流量计之间则会具有相对固定的误差。实验数据如表1和表2。根据表1和表2可知，如果由上游阀门1节流，气体超声波流量计信噪就会比上游阀门全开时低，这是因为当上游阀门在进行节流的过程中，人类无法听到的高频声波和人类可以听到的声音将会同时产生，如果声波频率与气体超声波流量计量的工作频率无限度相似的时候，那么就会造成气体超声波流量计信噪比的减小，这样流量计的测量准确度就会受到影响。
（二）气体超声波流量计与流态的关系
根据GB/T18604-2001《用气体超声博流量计测量天然气流量》中的相关规定，气体超声波流量计的上游直管段至少具有10D、下游直管段至少具有5D，其目的就是确保符合对称紊流速度分布要求的天然气流态可以进入流量计。空间弯头和计量管路中阀门对天然气的速度分布会有直接影响，从而使测量的准确度有所降低。气体超声波流量计的升到分布示意图如图3，四个声道沿管道横截面由上至下分布。管道中气体的平均流速可以通过气体超声波流量计加权平均各个声道测得的流速获得。在阀门1节流、阀门1全开测得的气体流态在管道中分布情况如表3和表4所示。根据图1、表4、表5可知，在阀门1节流的情况下，通过超声波A、D声道流速大于B、C通道流速可知，天然气在管道中的流速分布不均匀程度会随着流量增大而增大。随着流量的增大管道内气体的分布逐渐代替分布，换句话说，管道中心气体的流速小于管道壁的气体流速，当全部打开上游气流的阀门的时候，不会阻挡气流，管道内的气体流速不会随着流量的增加而产生较大的变化。当闸阀没有完全开启的时候，天然气的经过会受到阀门闸板的阻挡，产生不对称的旋转气流，这实际上是漩涡流的发展前兆。
（三）气体超声波流量计与气质的关系
气体超声波流量计在我国发展较晚，所以还没有在真正全面认识其实际工作性能。一般情况下来讲，在进行气体超声波流量计的过程中，对其气质条件并没有严格的要求，工业环境下可以实现气体的大多数清洁均质液体或不含大浓度悬浮粒子的流量测量。在用气体超声波流量计测量天然气的过程中，如果天然气当中含有大量的粉尘、雾状液滴和饱和水蒸气的时候，就应该充分考虑到气质条件可能带来的影响。最初，笔者发现相较于标准孔板流量计这种方法而言，气体超声波流量计的流量测量结果相对偏高。通过对气体超声波流量计进行诊断的过程中发现，处于非工作状态下的D声道很容易被饱和天然气所凝析出来的液体淹没，从而影响了换能器的正常运作。当排除积存在管道内的液体的时候，超声波流量计就可以恢复正常的工作状态。在一个声道发生故障时多声道气体超声波流量计能够实现自动补偿运算，进而造成流量计的流量输出略高于正常情况。能够影响气体超声波流量计工作性能的还包括天然气中的粉尘，例如当上游某个气体处理厂没有正常开机时，分子筛中的粉尘会随着气体超声波流量计的工作流程而带入进来，这样就很容易在底部的换能器处造成粉尘堆积的现象，影响气体超声波流量计的正常运转。
二、应用气体超声波流量计时应当重视的问题
（一）科学选型
一般情况下，型号不同的流量计，其测量的范围也是不同的，实际生产生活中涉及到的超声波流量计的测量范围都较为宽广，最大流量通常是最小流量的三十倍。利用测量天然气的流速确定天然气流量是气体超声流量计的工作原理，2.7~27m/s是其理想的工作范围，气体超声波流量计要想保证检测准确度就应当将工作流速控制在这个范围内。如果天然气流量比气体超声波流量计的流量拐点低时，就会在一定程度上降低气体超声波流量计的准确性，造成增大误差的后果。而在天然气流速过高的情况下，超声波信号无法被换能器检查到，进而造成计量故障问题。因此，进行超声波气体流量计选型时，应当正确掌握管道中天然气的流速，防止超底限或超高限运行情况的产生。选择气体超声波流量计时，还应当对是否存在声波干扰源进行充分考虑，其中主要指的是消音设备、大压差减压设备、高速度等能够产生超声波信号的设备。人们耳朵能够听见的声波通过消音设备能够转化为听不到的声波，一旦气体超声波流量计工作频率接近消音设备的超声波频率或减压设备的超高频噪声，那么超声波流量计就会无法正常工作。所以应当尽量避免在能够产生影响流量计声波场合，安装和选用气体超声波流量计[1]。
（二）严格安装
设置气体超声波流量计上下游直管段的过程中，应当充分执行相应标准，其中上游直管段和下游直管段应当分别大于10D和5D，并且还应当安装流动调整器解决安装条件受测量现场限制的问题。同时安装气体超声流量计时应当保持水平方向，这样就能够有效测量含液较多的天然气，还要严格根据技术要求进行气体超声波流量计和计量管段的安装，以保证气流就能够将天然气凝析出来的液体带走，防止超声波流量计存在液体堆积问题。如果固体粉尘含量较大额天然气，就应当将在上游直管段加设过滤器，避免因换能器表面堆积沉积物而产生故障[2]。
（三）科学维护
在使用气体超声波流量计的过程中，需要进行维护的情况少之又少，但如果计量气体气质较差那么就需要对气体超声波流量计的换能器进行及时清洗，并对换能器表面是否存在水沟和杂质进行检查。同时还应当关注有无泄漏存在于气体超声波流量计的各连接件中，链接线路是否正常以及检测零流量是否准确等等。
（四）定期诊断测试
一旦气体超声波流量计产生流量突变的情况，就应当运用其他与气体超声波流量计串联运行的流量计进行比对校核，确定显示天然气流量变化的真正原因。对于没有其他流量计作比对的情况，就应当通过气体超声波流量计的诊断软件对各个换能器的工作参数进行全面检查，进而了解异常参数值是否存在。对于使用超声波流量计较多的情况，应当将便携外夹式超声波流量计作为首选，这样能够随时校核固定安装的超声波流量计[3]。
结束语：
新型天然气超声波流量计量技术作为一项先进的技术，已经得到人们的广泛认可和运用。但是在实际运用过程中仍然要充分考虑影响计量过程的相关因素，并通过采取相应的措施获得最准确的计量结果。
参考文献：
[1]申思,申云廷.超声波在天然气流量计量中的应用[J].城市燃气,2014,(09):11-15.
Abstract: In the natural gas project, the general to used the time ultrasonic flowmeter. Noise, the fluid flow pattern and gas the temperament are the impact of factors to measure the ultrasonic flowmeter. Ultrasonic flowmeter should be noted that the correct selection and reasonable installation. Key words: ultrasonic; natural gas; velocity
中图分类号：O657.5文献标识码： A 文章编号：
1引言
超声波流量计用于流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比，超声波流量计的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。
超声波流量计有多种分类方法，根绝测量原理的不同，可以分为多普勒式和时差式。
多普勒式一般用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂志含量稳定的工厂过程液等。它对被测介质要求比较苛刻，即不能是洁净水，同时杂技含量要相对稳定，才可以正常测量，而且不同厂家的仪表性能及对被测厂家的要求也不一样。选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解。一般适用于液体环境。
天然气工程中，一般采用时差式超声波流量计。
时差式超声波流量计的原理
时差式超声波流量计其工作原理如图1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
图1 时差法超声波流量测量原理示意图
图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流时间为td,逆流时间为tu,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：
其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：
式中X是两个换能器在管线方向上的间距。
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：
上式可简化为：
也就是流体的流速为：
由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。
流量Q可以表示为：
气体超声波流量计的测量影响因素
（1）噪声对气体超声波流量计准确度影响。来自被测介质内部的噪声可能会对气体超声波流量计的测量准确度带来不利的影响。噪声的来源主要有环境噪声和气流经过没有全开的阀门时节流的噪声。采用气体超声波流量计上游阀门节流控制流量大小时，节流的声音随着流量的增大而增大，气体超声波流量计与标准孔板流量计的相对误差也逐步增大，气体超声波流量计的流量低于标准孔板流量计流量。当上游阀门全开，用下游阀门控制流量大小的时候，气体超声波流量计的信噪比较大且基本保持不变。
（2）流态对气体超声波流量计的影响。气体超声波流量计上游直管段最少为10D，下游直管段至少为5D，以保证进入流量计的天然气流态是对称的充分发展的紊流速度分布。根据测量管径及精度要求的不同，超声波一般分两声道、四声道、八声道集中模式。一般沿管道横截面由上到下平行分布四个声道：A声道、B声道、C声道、D声道。气体超声波流量计通过对各个声道测得的流速进行加权平均得到管道中气体的平均流速。
当上游阀门节流时，随着流量的增大，天然气在管道中的流速分布越来越不均匀，反应在超声波A、D声道的流速大于B、C通道的流速。随着流量的增大管道内气体的流速由凸形分布逐渐变成凹形分布，即沿管壁的气体流速由低于管道中心气体流速变成高于管道中心气体流速。当上游阀门全开时，没有对气流产生阻挡，随着流量的增大，管道内气体的流速分布变化不大，始终保持正常分布，符合标准规定的流态。当天然气经过没有完全开启的闸阀时，天然气由于阀门闸板的阻挡产生与管道中心轴不对称的旋转气流，经过发展成为漩涡流。
（3）气质对气体超声波流量计的影响。天然气中的凝液和粉尘对气体超声波流量计的工作性能有影响。凝液或粉尘在气体超声波流量计最底部的换能器和表体的结合处堆积，导致气体超声波流量计的工作不正常，影响流量计正常工作。多声道的气体超声波流量计能够在一个声道故障时根据其它声道测得的流量进行自动补偿运算，这个补偿过程使流量计的流量输出比正常时略有偏高。
气体超声波流量计应用中应注意的问题
气体超声波流量计测量天然气流量的实验数据表明气体超声波流量计的确有很多优点，但在使用中应该注意以下问题：
（1）正确选型。任何流量计有它自身的测量范围，气体超声波流量计测量范围很宽，一般说来最小流量和最大流量比为1：30，大口径流量计最大可以做到1：100。气体超声波流量计主要是利用测量天然气的流速来测量天然气的流量。其理想的工作流速范围为（2。7～27）m/s。所以，在进行气体超声波流量计的选型时应该充分考虑天然气在管道中的流速，避免出现超低限或超高限运行的情况。
选用气体超声波流量计作为计量装置时还应考虑是否存在声波干扰源，主要指能产生超声波信号的各种设备，如高速度、大差压的减压设备和消音设备等。安装气体超声波流量计的时候应该避开存在对流量计产生影响的声波的场合，亦可采取相应措施减小或消除噪声。
（2）合理的安装。气体超声波流量计上下游直管段应该满足要求，对于安装条件受测量现场限制的场合应该加装流动调整器。
气体超声波流量计安装方式应该水平安装。此外，在天然气含液较多的场合，气体超声波流量计及其计量管段的安装位置不应低于其上下游管道，使得天然气中凝析出来的液体能够随气流被带走，而不在气体超声波流量计处堆积，造成计量故障。对于含有大量固体粉尘的天然气应该在气体超声波流量计上游直管段外加装过滤器，否则气体超声波流量计会因为换能器表面沉积物的堆积出现故障。
结束语
气体超声波流量计作为计量性能优异的仪表，使用越来越广泛，而且技术更新很快，只有充分掌握气体超声波流量计的工作原理和性能，才能更好地了解它，使用它，让它更好地服务于天然气计量。
参考文献
中图分类号：
TB
文献标识码：A
文章编号：16723198（2013）21019102
1概述
近年来，随着液体超声波流量计计量与测量技术的不断发展，使得液体超声波流量计在流量计量与测量的领域有着广阔的应用前景，并且在很多应用工况中，逐步代替传统的容积式流量计和涡轮流量计，成为贸易交接和过程测量的新宠。美国Emerson公司的Daniel产品，德国Krohne，法国Faure Herman，美国Cameron等公司生产的多声道管段式液体超声波流量计已在国内外的成品油和原油的交接计量站中有多次成功的应用，例如，在中海油的渤中LVDA27-2作业区，中海油伊拉克米桑油田区块外输计量，中海油-新田石油合作平台LF7-2的外输计量撬中均已成功投用。从技术的角度出发，由于多声道管道式液体超声波流量计在大口径管道，大流量计计量中有着突出的优势，无附加压力损失，无可移动部件的构造及完善的自诊断功能，便利的在线维护性的优势都超过了传统的容积式流量计和涡轮流量计，并有着较其他液体流量计更宽的量程比，所以逐步成为应用于液体烃贸易交接的计量仪表。
2液体超声波流量计工作原理及检定难点
液体超声波流量计的测量原理是根据时差法，即当超声波在介质中传播时，会带上流体的信息，即使往返的声波信号的传播时间产生微小的变化，时间的变化正比于流速。多声道液体超声波流量计是通过测量不同声道上的传播时间差来时间测量与计算的。
根据API 5.8章节中可知，超声波流量计不同于传统的容积式流量计和涡轮流量计，其是靠电子芯片间接测量而对外发出计算脉冲的，此即为人工“制造”出与流量相关的脉冲（频率），由于流量脉冲和串行信号是通过计算获得，因此输出信号会落后于流体的特性，而且经过数据转换的处理，脉冲信号很可能落后于串行数据的信号。
超声波流量计在其内部几条声道上进行高频率的时间差测量，由于流体流动存在的不稳定性，任何微小的流量扰动和脉动都会被流量计所检测到，从而导致流量计产生不均匀的脉冲输出（如图1），而这些信息是其他传统的机械性流量计而反应不出来的。
而活塞式体积管由于最大尺寸的容积仍远小于API的容积推荐值，另外还有活塞式体积管在运行过程中的发射和回收可以引起流量的明显扰动，因此活塞式体积管不能直接用于标定液体超声波流量计。
综上所述，由于超声波流量计本身的原理及特点存在不均匀的脉冲输出，所以导致标定的体积管容积值巨大，大型的体积管在制造，使用，运输安装方面存在很多不便之处，尤其是海洋石油受平台及油轮上空间及重量的局限性，都严重制约着超声波流量计在中海油的发展及应用。
3液体超声波流量计的检定
由上所述，根据API标准可用球形体积管根据规范推荐的容积来选择直接标定液体超声波流量计。但是由于海上条件的限制，不是每个项目及应用都有足够的空间来满足球形体积管，所以要在中海油的业务中寻求更新和发展，必须要有办法来解决这个问题。
目前国际上的应用证明等精度传递理论即“活塞式体积管+标准流量计法”可以解决超声波流量计需要体积管容积大的问题，标准流量计考虑到量程范围，推荐用涡轮流量计。
在流量计量领域中有等精度传递理论，及流量量值传递时只需要满足计量学相关性基本原则，流量计在使用时和检定时流量点相同，介质相同和使用介质的物理特性相同，流量计检定和使用时几何特性相同，流量计在检定和使用过程中的操作过程相同，那么流量基准所复现的流量单位制将会等同精度传递给工作流量计。
“小容积体积管+标准流量计法”的检定方法为：
（1）先利用活塞体积管检定作为中间传递的标准流量计，在规定的流量点下，逐点进行多次重复测量（测量次数不少于5次），再进行温度，压力修正后，计算出标准表在每个检定点下的平均仪表系数和对应的重复性。标准流量计检定得到的重复性已优于0.02%为宜。
（2）在相同的检定流量计和检定条件下，在规定的时间段和规定的标准表脉冲数（通常大于10000个）内同时记录标准表流量计和超声波流量计的脉冲数以及当时各处的温度，压力数据，此时体积管停止运行。
（3）通过标准表的脉冲数及仪表系数及当时的温度，压力，计算出流过标准表的流体体积。
（4）通过标准表的流体体积及超声波流量计处的温度，压力可以得出超声波流量计在每一个检定点下的平均仪表系数和对应的重复性。
目前“小容积体积管+标准流量计法”是液体超声波流量计的主要检定方法，国外主要的技术机构都采用本方法，并且主流的流量计算机，例如S600+，OMNI等都在控制程序中都支持该检定方法。
小容积体积管+标准流量计的检定方法符合JJG1030-2007超声波流量计检定规程中关于现场在线检定的技术要求，可以对使用中的超声波流量计的进行检定和检验。
4液体超声波流量计在中海油贸易交接的应用
中海石油旅大32-2/27-2油田项目中第一次应用液体超声波流量计作为贸易交接的应用。该油田在其旅大32-2PSP平台上配备了两套美国艾默生公司Daniel液体超声波流量计，采用一台18in活塞式体积管（容积值约120L）及一台涡轮流量计为标准表。应用本文提出的方法进行标定后得到新的流量计系数。外输作业结束后，通过对比流量计及油罐的数据得到较好的一致性，两者之间偏差小于0.02%。目前该项目已经投用两年多，得到客户的肯定和好评。
随后中海油伊拉克项目采用了三套DN150的液体超声波流量计，同样配用18in活塞式体积管及一台涡轮流量计为标准表，目前已经为中海油与伊拉克油田方提供贸易计量的服务。
此外，液体超声波流量计+球形体积管方式应用于中海石油-新田石油合作平台LF7-2原油的外输计量中。
对于中海油近五年来首个FPSO，恩平油田群24-2船，已经确认为液体超声波流量计（三用一备DN250）+球形体积管（30寸双相球形体积管）的外输计量方案。2014年将投产使用。
5结论
作为贸易计量仪表，准确性，重复性是流量计的重要参数指标，为了保证液体超声波流量计的这些指标，就应该遵守计量法规的可行的在线检定技术和方法。贸易计量仪表的标定是流量量值传递及溯源连中最重要的环节，国家计量检定方法对流量计的发展及应用有着重大的意义和推进作用。超声波流量计计量液态烃发展较晚，相对其他传统的流量计而言，国际上相应的标准也较少。美国石油协会API于2002年10月制定的采用时差法超声波流量计测量液态烃的技术标准草案，2005年1月转为正式标准API MPMS 5.8：2005《用时差法超声波流量计计量液态烃》.我国没有液体超声波流量计计量液态烃的专项规范标准，仅在2007年了用于检定超声波流量计的检定规程《JJG1030-2007超声波流量计的检定规程》，该规程是一个通用的标准，尤侧重于气体超声波流量计的检定，对计量液体超声波流量计的标定的特殊性没有涉及。
中图分类号：S210.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0398-01
节约资源和环境保护是我国的基本国策，也是我国当前重要的发展战略。能源计量是节能减排的重要基础和保障，是实现节能减排的重要技术措施和基础环节。据统计全国17000家左右的重点用能单位能源消费占了全国能源消费的60%以上。重点用能单位就是年综合能源消费总量一万吨标准煤以上的用能单位以及国务院有关部门或省、自治区、直辖市人民政府、节能管理部门指定的年综合能源消费总量五千吨以上不满一万吨标准煤的用能单位。抓好重点用能单位的节能，是实现“十二五”期间节能减排目标的重要支撑和保证。为此，国家质检总局组织制定了JJF1356-2012重要用能单位能源计量审查规范，对审查内容、审查要求、审查方法及结果做了详细的规定。
根据审查规范第6.1.1.2项规定重点用能单位应再配备必要的便携式能源计量器具，以满足自检自查要求。便携式能源计量器具是指方便拆卸的，在拆卸及测量过程中不影响被测介质正常状态的能源测量仪表，这类仪表多数是通过非接触测量来实现测量目的的。第6.3.3项中第三条规定对无法拆卸的、无检定规程或校准规范的非强制检定计量器具，应采取可行、有效的措施（如：自校、比对、定期更换等）确保其量值准确可靠。结合我厂实际情况我们配备了0.5级便携式超声波流量计。下面我们探讨一下便携式超声波流量计在我厂能源计量方面的应用。
做为一个连续生产的工厂，计量器具的拆除会导致车间停产，所以要进行自校。所谓自校是指用能单位用便携式能源计量表与在线能源计量器具进行比较测量。
一、用便携式超声波流量计进行在线水计量流量计自校方法
在使用现场对流量计测量系统进行校对时一般包括零点校验、常用示值和累积流量校验。通常先进行零点校验，在零点正常情况后，进行其他点的示值校验，如果零点不正常，应查找原因，经处理使之正常后再进行其他点的示值校验。
1、流量计测量系统的零点校验
①保证流过流量计的流体流量确实为零，这是流量计校零的基础，一般现场使用时间长的切断阀关闭后能做到无泄漏者不多，所以校对零点时一定要确认这点，才能避免弄巧成拙。
②在流量计测量管道中必须充满被测的水。不满管会造成流量计示值的错误。
③安装换能器时，管道外表面应去保温层、去漆，锈迹应砂平，涂匀耦合剂，不能有空隙，以免声波在固、气界面上发生折射，无法传到被测流体。
④换能器安装在水平管道上时，为避开管道顶部可能存在的气泡和底部可能沉积的泥沙或其他固形物，应尽可能安装在与水平成45度角的位置。
⑤换能器不能安装在管道焊缝处以及有电磁干扰的地方。
⑥将便携式超声波流量计电源打开，将测量的管道周长、壁厚、测量试管道材质，有无衬里、介质为常温水等参数输入流量变送器中，流量变送器会自动计算出安装距离。
⑦按照计算出的安装距离进行换能器安装，安装好后检查流量计检测信号，信号正常后开始检验。
⑧读取被校验仪表和超声波流量计示值，确定是否为零。
2、流量测量系统的示值流量校验
零点校验后，将阀门打开至常用流量，待流量稳定后，读取被校验仪表和超声波流量计示值，读取5次进行误差计算。
3、流量测量系统的累积流量校验
对于能源计量来说，进行数据采集是定时定点的采集，通过日用或月用量进行考核。这就要求流量测量系统的累积流量值一定要准确可靠。水计量我们采用的多为机械水表和电磁流量计。下面介绍一下校验方法：
①示值校验后，将超声波流量计的累积流量设置显示界面上清零。
②将被检水表或电磁流量计累积表数记下，同时启动超声波累积计量。
③依据水平螺翼式水表检定规程，检定使用中水表，检定用水量不少于水表最小分度值的200倍，计算通水量，计时开始。
④到达时间后，计算被校验表的累积用量和超声波流量计累积用量，计算误差，不合格再做一遍，再不合格，调试或更换。
二、用便携式超声波流量计确定重点用能设备
根据审查规范第6.1.2.1规定，重点用能单位能源计量器具配备应符合GB17167-2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》的要求，具体要求见附录A。其中附录A中A.4.3.4规定单台设备能源消耗量大于或等于表二中一种或多种能源消耗量限定值的为主要用能设备，主要用能设备应按要求加装能源计量器具。根据要求用水量单台设备超过每小时1吨的应加装流量计。如何确定那些设备用水量超过标准呢？我们选择用超声波流量计实测。在设备连续运行时用超声波流量计不定时测试3次确定，不达标的不用安装计量仪表。
据统计凡是配备了便携式节能检测仪表的用能单位，则具有一定的节能检测能力，配置便携式节能检测仪表对于提高用能单位节能检测合格率，不断提高用能单位节能管理水平是十分必要的，有利于降低配表成本，也能够满足能源利用报告制度的要求。所以说配置便携式能源检测仪表是十分必要的，这就要求我们要针对能源计量仪表的综合性、难易拆卸性，引进研制更多更好的便携式仪表以及研究更多的在线检定方法，保证能源计量数据的准确可靠，为节能减排工作提供强有力的支持，以实现节能减排的目标。
参考文献
超声波流量计是当今工业生产自动化以及检测技术中常用的计量仪表，通常采用232/485通信接口或者4～20mA模拟信号接口输出。这种输出方式在很长一段时间内满足了工业上数据传输的要求。但随着当今工业自动化的迅速发展尤其是各类检测系统的发展，常规的输出方式的弊病已经越来越明显，流量计的远程通信成为一种趋势。现在常用的解决方案是通过RTU接收仪表的数据，再实现仪表数据的远传。
一、超声波流量计的基本结构
计量仪表的设计通常分为一次仪表与二次仪表两部分，这种超声波流量计的基本构架设计也遵从这种方式，采用一次仪表与二次仪表分开设计。超声波流量计结构如图1所示。
一次仪表主要实现将电能转换为超声波，同时实现超声波信号的检测与处理，
二次仪表主要实现检测超声波信号传播时间，计算出相应流速，并对相应的结果进行判断与验证，同时实现数据的处理与输出。可以说，二次仪表是计量仪表的大脑，所有的逻辑运算与数据处理都在二次仪表中进行。
超声波流量计总体由一次仪表与二次仪表构成[1]，一次仪表包括压电换能器及其相关电路，包括：
（1）超声波信号收发部分：完成超声波信号的发射与接收，实现换能器对能量形式的转换；
（2）超声波信号处理部分：实现对收发信号的处理，使电路信号能够与控制芯片信号较好的配合
二次仪表主要实现人机交互、信号处理等功能，其主要包括：
（1）最小系统：ARM芯片能够工作的最基本系统条件，包括电源电路、时钟电路、复位电路等
（2）数字信号处理部分：包括已调理信号的处理、数据输入存储器等
（3）驱动服务：完成人机互动、数据通信等功能
二、远程通信模块的基本结构
现在常用的RTU采用485协议与仪表进行通讯，然后通过网络通信模块进行数据传输。常见的网络模块包括ZIGBEE模块、GPRS模块、3G模块以及最新的4G模块等。
较为合理的远程通信方式可以考虑采用ZigeBee技术组成小范围的无线传感网络解决有线通信走线复杂的问题，同时可以实现网内传感器的互联互访。再通过某一至两个GPRS节点上传数据实现远距离的数据通信，这样的结构既可以节省485通信线路走廊，也可以节约GPRS节点的个数。
总之，整个通信流程中，ZigBee与GPRS通信技术相互配合，取长补短，能够，采用ZigBee技术实现近距离通信，GPRS实现数据远传，两种方式可以实现大范围、远距离的传感器组网数据通信。
三、远程超声波流量计远程模块的设计
3.1远程模块硬件结构
设计将常规超声波流量计与RTU的设计相结合，采用ARM作为处理核心。由于ARM具备的多任务处理的能力，可以实现数据的处理与传输。这种方案在传统超声波流量计的硬件结构的基础上，只需要增加了传感器的远传模块就可以实现数据的远程传输。传感器基于Zigbee组网并通过GPRS实现数据远传功能，使传感器成为真正意义上的远程流量计。
远程超声波流量计的基本结构与常规流量计并没有太大区别，但他的设计增加了网络协调器。其硬件结构设计如图2所示。
以LPC2210作为控制器为例，通过SPI接口实现与MC13192 Zigbee模块的数据传输，再通过UART1串口实现与SIM800 GPRS的数据传输。
3.2软件结构的设计
无线收发功能主要是由GPRS模块和Zigbee模块配合实现的无线收发模块的应用程序各主要任务如表1所示：
通过优先级的不同，依次完成各任务。
四、总结
通过将二次仪表的设计与RTU相结合，流量计的可嵌入性得到极大的提升，极大的降低了工业自动化生产、流量监控系统等运用场所中的安装成本与设计难度，提高了数据传输效率，具有较好的研发前景。
参 考 文 献
引言
超声波流量计是一种可以利用非接触的方法来测量流体流量的仪表。它既可以测量其他仪表不能检测的非导电介质、放射性、易爆和强腐蚀介质的流量，也可以用于不易观察和直接接触的介质流量的测量。它的测量准确度较高，可以不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决测量大管径的液体流量问题。因此超声波流量计被广泛应用于环保、油田、水务公司、冶金、发电等行业，而熟悉和掌握超声波流量计的安装及常见故障问题处理是解决流量测量准确这一问题的关键所在。
1 超声波流量计的测量原理
超声波流量计是通过测量流体流动对超声波产生的信号影响来对流体流量进行测量，其测量原理是利用“时差法”来测量的。
而时差法的测量原理为：一个超声波探头发射声波信号穿过流体介质、管壁到另一侧的管壁后，被管壁的另一忍酵方邮盏叫藕牛与此同时，第二个探头也发射声波信号被前一个探头接收到，由于受到流体介质间流速的影响，两者之间存在一定的时间差Δt，根据公式推算出时间差Δt和流速V之间的转换关系V=（C2/2L）×Δt，进而可以得到相关的管道内的流量值Q。
2 超声波流量计的特点
2.1 使用面广
在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量。超声波流量计也可用于气体流量测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到河流都可适用。多普勒法超声波流量计可测量双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。
2.2 价格适中
因各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，流量仪表成本基本上与被测管道口径大小无关。从而比起其他类型的流量计，超声波流量计随着口径增大造价大幅度减少，所以，口径越大，优点越显著。另外一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，从而抬高成本和造价，而超声波流量计在成本和造价方面均可避免。
2.3 维修和安装方便
安装时不需要阀门，法兰、旁通管路等，无论是安装还是维修，都不需要切断流体，不会影响管道内流体的正常流通。因此，维修和安装方便。
2.4 解决测量各种介质流量的难题
超声波流量测量的准确度几乎不受被测流体温度、密度、压力和粘度等参数的影响。由于超声波流量计是非接触式流量仪表，所以，除了用于测量水、石油等一般介质外，还能对非导电介质、放射性、易爆和强腐蚀介质进行流量测量。
3 超声波流量计探头的分类及主要安装方法
3.1 超声波流量计探头的种类
常用的超声波流量计探头按安装方式有如下三种：
（1）管段式探头，安装时需要切开选定的直管段，采用法兰连接。产品已经过生产厂家标定，好处是探头可以在使用企业不用停产的情况下进行维修，其特点是测量的准确度高。（2）插入式探头，安装时需用钻孔工具在使用企业不停产状态下将探头插入管线中。特点是能在水中带气体或水管内壁结垢情况下实现准确可靠的测量。（3）外夹式探头，安装时需将管外壁的预安装位置用打磨工具打磨光滑后用耦合剂将探头贴于管外壁再用专用夹紧装置固定。此类方法能方便地在管壁外进行水流量测量，也适合便携式流量计。不好的地方是易造成耦合剂的处理不当引起信号接收状态异常而影响测量的准确性和可靠性。
3.2 超声波流量计探头的安装方法
超声波流量计传感器的安装方法直接关系到水流量测量的运行可靠性、可信度和准确性。
超声波流量计探头的安装位置一般选择两个探头管轴在与管轴水平面成45度夹角处或管道的管轴水平方向上。
超声波流量计探头的安装方法有Z、V、N、W方法。其中N、W方法适用于管径为50mm以下的管道，因性价比和使用难度原因而被很少用到。常用方法主要有两种：（1）“Z”方法安装，“Z”方法安装一般适用于水介质较差不洁净、输水管道管径较大、管道内壁有水垢或使用“V”方法安装信号失真较严重的情况。一般“Z”方法安装的可测管径范围通常在100mm～600mm，300mm以上管径的管道选用“Z”方法安装较适合。安装探头时须注意管道轴线与上下游两探头在同一平面内，且上游探头在高位，下游探头在低位。（2）“V”方法安装，“V”方法安装是标准的安装方法，可测量外管径范围为25mm～400mm。安装探头时须注意上下游两探头水平方向对齐，使其管道轴线与中心连线水平一致。
3.3 超声波流量计探头安装的后续检查
（1）通过流量计表头核查上下游端探头的信号质量和信号强度是否满足要求，判断探头能否接收到流量计表头工作所需的超声波信号。（2）主要检查安装位置与探头需要的间距是否合适。（3）与管道外壁结合面的接触是否光滑，结合是否紧密。
4 超声波流量计使用中的常见故障与处理方法
4.1 故障表现：外夹式超声波流量计探头的信号过低
（1）故障分析：输水的管道结垢较厚、管道外径过大超过允许范围、管道中介质不满管或探头选用的安装方法不合适。（2）处理方法：管道结垢较厚可选用插入式的探头安装，对于外管径过大和管道中介质不满管可以重新选择探头的安装方法。
4.2 故障表现：流量计仪表在安装现场的强磁场干扰下无法正常使用
（1）故障分析：有可能是探头周围有强磁场干扰、有大功率变频器、接地线的安装不合适或流量计的供电电源波动较大。（2）处理方法：将流量仪表安装在远离强磁场和大功率变频器的场地，将流量计表头正确方法接地，给流量计换装稳定的电源供电。
4.3 故障表现：流量计的瞬时流量数据波动较大
（1）故障分析：可能由于探头的安装位置和管道内气体的影响使信号强度波动较大，从而使流量数据波动较大。（2）处理方法：首先重新调整探头的角度和位置，使管道轴线与上下游两探头在同一平面内，其次保证探头的安装间距准确无误。如管道内有气体影响管道内本身流体波动大，也可以重新选择探头的安装位置，但是要确保探头安装前10D后5D的安装要求。
4.4 故障表现：插入式探头在使用一段时间后出现主机信号降低现象
（1）故障分析：可能管道内或者探头表面产生水垢、探头安装位置改变或者发生偏移、探头长时间日晒导致信号衰减。（2）处理方法：重新安装和调整流量计探头的位置，清洁探头和管壁上的水垢，若探头信号已经衰减可重新更换新的探头。
4.5 故障表现：流量计在开机的情况下无法显示数据
（1）故障分析：流量计表头的保险丝已经烧断或者使用方提供的电源与流量仪表所需要的额定值不符。（2）处理方法：在仪表上检查保险丝是否已经烧断，并检查使用方提供的电源参数是否与流量仪表所规定的额定值相符合。
4.6 故障表现：流量仪表开机后只有背光显示却无任何数据显示
（1）故障分析：此类情况一般为流量仪表本身的内部程序芯片异常所致。（2）处理方法：联系流量计生产厂家现场检查故障并处理，如无法现场修理则需寄回厂家检查并维修。
中图分类号：TP274 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2009)04-053-03
Time Difference Ultrasonic Flowmeter and Its Simple Arithmetic
SU Manhong,WU Zhimin,YE Weiyuan
(Shenzhen Polytechnic College,Shenzhen,518055,China)
Abstract：Aiming at the high precision time measurement and large amount computing of time difference ultrasonic flowmeter,an ultrasonic flowmeter system based on FPGA,DSP and MCU is designed.The hardware controlled by the FPGA to ensure accurate timing.The auto delay-window of signal receive technique is adopted,by extracting useful measurement signal,the needed data is reduced and anti-jamming capabilit is enhanced,and the measuring speed has been greatly accelerated by simplified algorithms.It is proved by simulator with Matlab and experiment that the system is feasible.
Keywords：time difference ultrasonic flowmeter;delay window;arithmetic simplify;anti-jamming capability
流体流量计的用途十分广泛,在工业上,如石油、化工、水电等部门,流量计已经成为对液体流量检测必不可少的设备。超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的测量技术，作为一种新型的非接触式流量计，它具有安装简单、使用方便、测量范围宽等特点，时差法超声波流量计测量流量是目前广泛应用的一种方法。近几年来，随着FPGA和DSP的发展和广泛应用，数字信号处理技术的改进使产品的测量精度得到了不断提高。
时差式超声波流量计需要采用两个超声波探头来进行信号的发送和接收，通过测量超声波自传感器沿顺、逆流方向传播时的时间差计算流体流动速度［1］，由于该时间差很小，往往达到纳秒量级甚至更低，测量超声波传播时间的精度是流量计测量精度的关键，也是设计人员重点研究的问题［2］。针对上面的要求，在此设计了一种基于FPGA和DSP的高精度超声波流量计系统，利用FPGA和DSP分别实现精确的时序控制和快速的数字信号处理［3，4］，从而提高系统的响应速度、准确度和稳定性。为提高测量精度，该系统在信号处理上主要采用插值和相关法，由于检测和处理超声波信号的运算量大，对系统硬件要求很高，该系统结合滑动窗口对相关算法进行了简化，提高了系统的性能。
1 系统结构和工作原理
系统的硬件组成结构如图1所示，其是由FPGA，DSP，MCU、切换电路、A/D转换、自动增益控制、外部RAM和LCD显示等几部分构成的。DSP为数字处理核心，用于FIR滤波、相关运算等大量数据处理［5］，整个系统的时序由FPGA控制，确保了时序的准确性［6］。
图1 系统的硬件结构框图
超声波换能器A，B在FPGA的控制下，轮流工作在发射和接收状态，用以测量顺流、逆流时超声波传播的时间差，其谐振频率为1 MHz。接收信号经过选频放大滤除了部分干扰信号，再由自动增益控制AGC放大后送往A/D转换器，以每次25 ns的转换速度实现A/D转换，并存储到外部RAM中，整个过程都在FPGA的控制下进行，确保了时序的准确性。为了进一步提高运行的速度，DSP首先将外部RAM中的数据转存到内部RAM中，再进行55阶FIR滤波，经过FIR滤波后的信号，其采样速率较低，测量精度不够高，为了提高精度，这里进行了插值运算，插值后的两组信号再经过相关运算处理［7］，便得出流体顺流和逆流的时间差，从而求出流体的流速［8，9］。
2 滑动窗口接收技术
滑动窗口是在接收信号到达的前后才有效的一个时间窗口，窗口之外的信号一概不予处理，这样可以减小噪声的干扰并降低运算量。为保证检测信号的有效性，必须先去掉接收端的干扰， 采用窗口和脉宽检测是两个行之有效的方法。测量窗口的初始位置是根据人机对话输入的参数设置的，并通过有效信号的检测位置不断调整窗口到合适的位置。窗口的设置限定了信号的接收范围， 在一定程度上消除了噪声的干扰，同时也减少了要处理的信号样本数，降低了运算量。
滑动窗口的设置方法为：单片机根据人机对话输入的参数（管径、壁厚及流体），计算出信号自发射探头到接收探头所需传播时间的近似值，根据该近似值控制数据采样的开始时间，每组数据采集15 000个点，由于采集的数据足够多，完全可以保证有用数据能够被采集到。经过AGC电路的调整，当采集到的信号幅度满足要求时便对它们分别进行FIR滤波，再根据幅值找出有用信号的最大值点并进行信号有效性判断，信号确定为有效后再进行滑动窗口调整，将有用信号移动到有效窗口。由于换能器探头的谐振频率为1 MHz，采样频率为40 MHz，探头发射信号为5个周期，考虑到探头的余波，为了更好地采集接收信号，窗口宽度设定为800个信号点，即20个信号周期。图2所示为窗口调整前部分内存中的数据，从上面可以看到两组信号，前者幅度小，是超声波沿管壁直接传递而形成的，其传播速度快，传播时间短，后者是超声波沿正常路径传输的结果，幅度较大，也是需要的有用数据。图3是窗口调整后内存中的数据，可以看到，有效数据已被移动到最左侧的有效窗口中，后面的插值及相关运算都是只对该段数据进行。
3 插值及相关算法的简化
在超声波发生电路中，由同一触发脉冲触发2个相同的换能器产生超声波，测量中2路采集信号具有很大的相似性，因此能对信号进行相关处理。在超声波流量计中，对时间测量精度的要求很高，为了提高分辨率，可以采取一般的采样方法，然后通过数字信号处理中常用的插值算法，由软件提高系统的采样频率，从而提高时间的分辨率。
图2 窗口调整前部分内存中的数据
图3 有效数据被移动到左侧
换能器的谐振频率为1 MHz，采样频率为40 MHz，采样的时间分辨率为25 ns，对于超声波流量计，这样的分辨率是不够的，还必须提高信号的采样频率，即进行插值处理。如果采取先补“0”再滤波的方法，必须增加滤波器的阶数，同时由于插值后样本增加，滤波运算所需要的时间会大大增加。因此该系统采用线性插值的方法，在相邻2个数据点之间插入19个点，这些点与插入前的相邻点在同一直线上，这样时间分辨率可以达到1.25 ns。
该系统时间差的测量是通过比较两组超声波信号的皮尔逊积差相关系数的值来确定的，相关系数的计算方法如下［10］：
设xi和yi分别代表两组信号的采样值，i=1,2,…,n。n为采样数量，设x,yХ直鹞两组采样信号的平均值有，
x=∑xi/n,y=∑yi/n
Еx,σyХ直鹞2组采样信号的均方差有：
σx=∑(xi－x)2/(n－1),
σy=∑(yi－y)2/(n－1)
rС莆相关系数，其公式为：
r=∑(xi－x)(yi－y)∑(xi－x)2∑(yi－y)2
上式经过简化后得到公式：
r=n∑xiyi－(∑xi)(∑yi)n∑x2i－(∑xi)2n∑y2i－(∑yi)2
相关系数r的重要特征为：0
因有效窗口两端数据的变化很小（如图3所示），在小范围内改变两组数据的相位关系后，可以认为相关系数公式中的分母项的值是不变的，其不随两组采样信号的移相变化而变化。因此，在判断相关系数最大值时，只需计算相关系数公式中的分子式项n∑xiyi－(∑xi)(∑yi)У闹担然后判断它的最大值即可，这样可以大大地减少系统的运算量，提高系统的反应的速度。
4 相关算法及其简化算法的仿真与比较
为了检验相关算法简化后对结果带来的影响，把采集到窗口中的两组数据经滤波与插值后，通过Matlab分别对完整的相关算法及简化算法进行仿真分析［11］，仿真波形如图4所示。
图4 相关算法及其简化算法在Matlab中的仿真
其中上部为简化算法的仿真结果，下部为完整相关算法的仿真结果。图5为一部分仿真数据。从图中可以看出，完整相关算法的相关系数据介于+1~-1之间，最大值（接近于1）出现在5 001的位置。相比之下，简化算法的值大若干数量级，这是简化算法略去分母的结果，但这对计算没有影响，只要得到最大值出现的时间，重要的是简化算法的最大值也出现在5 001的位置，并且其波形与完整的相关算法几乎一样。由此可见，相关算法的简化并没有对这里的计算带来误差。
为进一步证实系统的可用性，将该系统与宝丽声DCT7088超声波流量计进行了对比测量，被测管道为外径为45 mm的钢管，壁厚3.5 mm，管道中的水由循环泵驱动，通过变频器控制循环泵的转速来得到不同的流速，测量结果如图6所示，二者测量结果已经十分逼近。
图5 相关算法及其简化算法的部分仿真数据
图6 实测流量对比曲线
5 结 语
这里以FPGA，DSP和MCU作为核心器件设计了一种时差式超声波流量计，结合自动延迟窗口技术，大大简化了用于计算时间差的相关算法，提高了系统的性能。通过对系统实验测试及计算机仿真，表明该系统方案切实可行。
参 考 文 献
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一、时差式气体超声波流量计的工作原理
气体超声波流量计的是利用超声波在流体中沿顺流传播的时间和沿逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。工作原理见图1。
图1中，气体超声波流量计的换能器A和换能器B装在管道两侧，超声波的声程长度为L，超声波传播的方向与流体在管道中的流动方向夹角为θ，超声波在流体中的顺流传播时间为tD，逆流传播时间为tU。
（1）
（2）
式中：
c――超声波在静止流体中的声速，
V――流体介质的流动速度。
联立解方程（1）和方程（2）可得：
（3）
式中：
X――换能器A和换能器B在水平方向上的距离。
从式（3）中可以看出，气体的流速测量与介质的声速无关，只与长度和时间两个参数有关。
二、气体超声波流量计计量出现误差的原因
（一）噪声对气体超声波流量计准确度影响。
噪声的来源主要有环境噪声和气流经过没有全开的阀门时节流的噪声。我们采用气体超声波流量计上游阀门1节流控制流量大小时，节流的声音随着流量的增大而增大，气体超声波流量计与标准孔板流量计的相对误差也逐步增大，气体超声波流量计的流量低于标准孔板流量计流量。当阀门1全开，用阀门2控制流量大小的时候，气体超声波流量计的信噪比较大且基本保持不变，气体超声波流量计与标准孔板流量计的相对误差基本保持不变。当采用上游阀门1节流的时候，气体超声波流量计的信噪比明显低于上游阀门全开的时候。这是因为，当气体超声波流量计上游阀门节流时除了能产生我们能听到的声音外还能产生人耳无法听到高频超声波，当这种声波的频率与气体超声波流量计的工作频率相近的时对气体超声波流量计的准确度产生的影响。
（二）流态对气体超声波流量计的影响。
GB/T 18604-2001《用气体超声波流量计测量天然气流量》要求气体超声波流量计上游直管段最少为10D，下游直管段至少为5D，保证进入流量计的天然气流态是对称的充分发展的紊流速度分布而计量管路中的阀门等阻流件会对天然气的速度分布产生影响，从而影响测量的准确度。当阀门1节流时，随着流量的增大，天然气在管道中的流速分布越来越不均匀，反应在超声波通道的流速大于通道的流速。符合标准规定的流态。因为当天然气经过没有完全开启的闸阀时，天然气由于阀门闸板的阻挡产生与管道中心轴不对称的旋转气流，经过发展成为漩涡流。
（三）气质对气体超声波流量计的影响。
气体超声波流量计对于我们来说是一个全新的流量计，我们以前只是从理论上对其有一定的了解，而对它的实际工作性能并不了解。我们知道气体超声波流量计对气质条件要求不严格。用于工业环境下连续测量不含大浓度悬浮粒子或气体的大多数清洁均质液体的流量。对于含有液体和少量粉尘的气体在使用中应该注意。
在使用过程中，我们发现气体超声波流量计的流量和标准孔板流量计相比偏高。使用CUI软件进行气体超声波流量计的诊断时发现气体超声波流量计的D通道不工作，检查后发现，气体超声波流量计的D通道被天然气中凝析出的液体淹没了，导致换能器工作不正常。经排除积存在管道中的液体后气体超声波流量计工作正常。多声道的气体超声波流量计能够在一个声道不工作的时候根据其他声道测得的流量自动进行补偿运算，这个补偿过程使流量计的流量输出比正常时略有偏高。
天然气中的粉尘也对气体超声波流量计的工作性能有影响。我们在使用气体超声波流量计的过程中出现过一次气体超声波流量计的换能器由于粉尘堆积而导致气体超声波流量计工作不正常的情况。原因是由于我们的一个气源由于上游的处理厂开机不正常，分子筛中的粉尘被带人气体超声波流量计的工作流程中，在气体超声波流量计最底部的换能器和表体的结合处堆积，导致气体超声波流量计的工作不正常。
三、气体超声波流量计应用中应注意的问题
根据我们在现场使用气体超声波流量计进行天然气计量中进行的实验记录的数据分析，气体超声波流量计的确有很多优点，同时气体超声波流量计在应用中应该注意以下这些问题：
（一）正确选型
任何流量计有它自身的测量范围，气体超声波流量计测量范围很宽，一般说来最小流量和最大流量比为1：30。气体超声波流量计主要是利用测量天然气的流速来测量天然气的流量。其理想的工作流速范围为（2.7～27）m/s，在这个工作范围内，气体超声波流量计才能保证其检定时的准确度。天然气的流量低于气体超声波流量计的流量拐点时，气体超声波流量计的准确度将降低，从而出现较大的误差。天然气的流速过高时会出现超声波信号被吹跑，换能器检测不到超声波信号的情况，出现计量故障。所以，我们在进行气体超声波流量计的选型是应该充分考虑天然气在管道中的流速，避免出现超低限和超高限运行的情况。
选用气体超声波流量计作为计量装置时还应考虑是否存在声波干扰源，主要指能产生超声波信号的各种设备，如消音设备。消音设备常常是将人们耳朵能够听见的的声波转换成为人耳不能听到的超声波，如果消音设备的超声波频率与气体超声波流量计的工作频率接近时将造成超声波流量计工作不正常，甚至完全不工作，因此，我们选用、安装气体超声波流量计的时候应该避开存在对流量计产生影响的声波的场合。
（二）合理的安装
气体超声波流量计安装方式应该水平安装，此外，在天然气含液较多的场合，气体超声波流量计及其计量管段的安装位置不应低于其上下游管道，使得天然气中凝析出来的液体能够随气流被带走，而不在气体超声波流量计处堆积，造成计量故障，对于含有大量固体粉尘的天然气应该给气体超声波流量计上游直管段外加装过滤器，否则气体超声波流量计会因为换能器表面沉积物的堆积影响流量计的正常工作。
（三）定期维护
气体超声波流量计使用过程中需要的维护很少，但在气质条件较差的计量场合，应定期清洗气体超声波流量计的换能器，检查有无杂质和水垢等附着换能器表面。气体超声波流量计的各连接件是否泄漏，定期检查线路连接是否正常等。
（四）及时诊断测试
中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0016-01
1 引言
近些年随着数字技术、电子技术的发展，根据不同原理、不同构造，可以应用于不同工业生产的超声波流量计已经出现，这些超声波流量计具有安装简便、运行过程比较稳定，在工业生产中常用超声波流量计测量流量。
2 超声波流量计的测量原理及特点
超声波流量计是一种非接触式的测量仪表，适用于测量不容易接触的流体和大管径的流量。超声波流量计是由电子线路、超声波换能器、流量显示和累积系统三部分组成。超声波换能器是将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测的流体中，接收器所接到的超声波信号，通过电子线路进行放大，将转换的表示流量的电信号，提供给流量显示和累积仪表进行显示和计算，通过上述原理来实现流量的测量。
超声波流量计的测量方法有多普勒效应法、传播速度差法、波束偏移法等。多普勒效应法的测量原理是运用声波中的多普勒效应，来测量得到逆流和顺流的频率差而得出的流体的流速，最终得出流量。传播速度差法的测量原理是测量超声波脉冲的逆流和顺流的速度差而得出的流体的流速，最终得出流量。波束偏移法的测量原理是通过运用超声波波束垂直于流体流动的方向进行入射时，因为流体的流动导致超声波波束发生偏移的情况，从而通过偏移量的大小来计算被测流体的流速。
超声波流量计的特点主要有以下几个方面：
（1）需要测量的液体只要能够传播声波，就可以在管道外面对其测量，这种测量方法不用对管道进行改动、可以不用直接接触被测流体、没有压力损失、不受流体磨损和腐蚀的影响。
（2）能够直接测出被测流体的累积流量以及瞬时流量。
（3）构造简单，安装、维护比较方便。
（4）可测范围广，可以测量同一台仪表的不同口径的管道流量，灵敏度高，能够测量流速的微小改变。
（5）不仅能够测量流量以及流速，还可以对流体的其他参数如浓度、成分等进行测量。
3 超声波流量计的安装维护及应用
由于超声波流量计安装简便、可测范围广、在使用中比较稳定等优点，其应用可以延伸到工业、农业、水电、水利等部门，可以较准确的测量流量，应用范围广。
2.1 超声波流量计的分类
（1）多普勒式超声波流量计
多普勒式超声波流量计适用于测量能够反射超声波信号的气泡或者颗粒的流体，一般可测量未处理过的污水、工厂的排放液等。超声波流量计对于被测介质一般要求杂质含量相对稳定的，才可以测量。而且不同厂家的仪表性能对于被测介质的要求也是不同的。
（2）时差法超声波流量计
时差法超声波流量计是目前应用最为广泛的超声波流量计，它一般被用来测量比较干净的液体流量，常用在工业用水和自来水厂。
（3）管道式超声波流量计
管道式超声波流量计它的测量精度是最高的，而且不受管道衬里和材质的限制，一般适用在对于流量测量精度要求很高的场合。管道式超声波流量计的缺点是在安装过程中，一定要切断管道，而且当管径增大时，其成本也在增加。一般情况下，都采用中小口径的管道式超声波流量计，比较经济实用。
2.2 超声波流量计的安装
超声波流量计的正确安装与合理选型均关系到超声波流量计能否正常测量流量。超声波流量计的换能器位置一般选择在远离管道阀门、弯头的位置，可以选择在垂直管段或者水平管段。在超声波流量计的换能器安装时，尽可能地避免电焊机、变频调速器等可能污染电源的场合。超声波流量计与上、下游直管段的距离十分关键，一般选择上游直管段为10D（D表示管道直径），下游直管段为 5D。
超声波流量计的换能器的安装方式有一定的要求，如多普勒效应超声波流量计一般采用对贴式的安装方式，其最合适的位置不能选在管道的上、下游位置，可选择在管道的水平位置。不同的安装方式，超声波流量计的换能器的信号强度是不同的，其测量的稳定性也是不一样的。
2.3 超声波流量计的维护
超声波流量计的维护工作相比于其他类型的流量计，维护的工作量要少一些，一般超声波流量计的维护主要是定期进行现场的巡检，查看超声波流量计的换能器是否有松动，与管道之间是否是粘合的良好。对于管道式的超声波流量计，一般要查看管道与超声波流量计之间的法兰有没有连接好，在作业现场的腐蚀性气体、温度等对电子元件的影响。对于插入式的超声波流量计，要注意定期清洁探头上所沉积的水垢、杂质等，而且还要检查在密封口处有没有泄漏的现象。对于外贴式的超声波流量计，要查看换能器是否松动，钢带连接有没有紧固，以及与管道之间的粘合剂是否是良好的。
4 结语
采用超声波流量计测量流量，具有实时性好、测量的精确度高等特点。随着超声波流量计的应用越来越广泛，为工业现场的流量的测量提供了很大的方便，超声波流量计在工业生产和计量方面都发挥着重要的作用。
参考文献
