超声波流量计:一种“声音”技术
超声波流量测量并不是一项新技术。然而，它最近已经成为工业流量计市场上其他代表性技术中的热门商品。
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超声波流量测量并不是一项新技术。然而，它最近已经成为工业流量计市场上其他代表性技术中的热门商品。根据超声波流量计全球展望ARC咨询集团(Dedham, MA)发布的2005年市场分析预测显示，超声波流量计是为数不多的现场设备之一，预计将实现两位数的增长。报告还说，尽管这对于一项成熟的技术来说是极不寻常的，但过去几年的改进已经导致了这种显著的复苏。这是经验的结果，与最近的技术进步相结合，形成了下一代流量计，本质上是全新的。
流量计基本知识
两种类型的超声波流量计应用于封闭管道流量测量最常遇到的过程工业使用传递时间或多普勒技术。
传递时间流量计利用声波脉冲在介质中传播固定距离的时间差，首先与流动方向一致，然后与流动方向相反。这些流量计可以有两种工作模式之一，时域和频域。虽然它们的工作原理相似，都是将脉冲从换能器传输到接收器，再通过流动的介质传输回来，时间域仪表利用两次起下钻之间的时间差来提供流体运动的信息。
频域瞬时流量计与时域流量计使用相同的传感器，但信号读取方式不同。时间在不直接读。相反，频域单元将时间信息转换为频率。一旦接收到声波脉冲，它就立即重新传输，形成与传输时间成比例的脉冲速率(频率)。如果使用两条这样的路径，每个流方向一条，则产生两个频率。频率之差与流速成正比。
过境时计不限于测量流速。controllotron公司(happauge, NY)的SonicMass流量计结合了高分辨率声速和温度补偿，将体积流量转换为质量流量。流量计，可在各种安装方式和管道尺寸(3/8至48英寸)。)，据说是第一个商用的液体质量仪基于过境时间技术。性能精度超过0.25%的质量流量选择流体和0.15%的体积读数超过指定范围的雷诺数。
多普勒米工作方式不同于传输时间设备，大多数使用单一声音频率的连续传输，而不是脉冲。光束以与流动方向成一定角度射入介质。然后，气流中的气泡、夹带的固体或涡流将声音反射或散射回接收器。这些内含物中的运动将引起返回信号的多普勒(频率)移位。简而言之，基于多普勒的流量计在传感器和流蒸汽中的夹杂物之间传递信号，而不是在两个传感器之间传递信号。
每一个内含物都具有随机的物理分布和速度，在声波流中反射声音。因此，它们反射的复合信号是频率的随机分布，这些频率加起来在接收器看来是一个单一的波形。散射频率与接收频率之差与流包裹体的运动或流速成正比。
超声波流量计的其他变化是可用的。这两种基本技术的混合用于过程(封闭管道)应用程序。超声波流量计可用于确定明渠和河流的流量。该技术也可用于测量部分填充管道的流量，通过测量管道中的液位来确定流量。
应用程序的依赖
适用于超声测量的介质类型非常广泛，无论是对传输时间计还是多普勒计都是如此。任何一种类型都需要一些成功操作的先决条件。适用的介质必须支持声音的传递，在一个完整的管道中，并且不包含会沉积在管道内壁上的材料。流量必须是连续的和无脉动的，以便任何一种类型都能准确地工作。
使用多普勒仪表有额外的要求。在这些情况下，介质必须提供足够的夹杂物(悬浮气泡、小固体/颗粒等)，以便声能有一些东西可以反射。但是，介质中不能有太多这样的“散射体”，这样声音就不能穿透流。
根据Mesa Laboratories Inc. NuSonics分部(Lakeland CO)的仪器化学家Doug Weerstra的说法，两种类型的流量计都可以处理悬浮固体的体积量。即使在体积为0-2%的小管道中，传输时间计也能很好地工作。多普勒仪表工作在大多数情况下，0.1-10%的固体体积。然而，随着固体量的增加，仪器功能可能会受到影响。
多普勒仪表也可以工作，如果涡旋存在的包裹体在流动。然而，漩涡很难被捕捉到。韦斯特拉说，由于它们是由下游条件造成的，所以不能指望它们。
定位声束
对于传递时间流量计和多普勒流量计，可以通过电子方式增加或修改通过管道的声束数量，以提高平均速度读数的准确性。通常，在水平管道下入时，单声波束通过3到9点钟(推荐)位置就能提供足够的精度。然而，对于任何提供准确读数的超声波流量计，它必须位于距离最近的流动扰动(泵，弯头，三通，减速器等)上游至少10管径和下游至少3管径的管道直线段。
如果不能“找到”或在工艺管道中内置足够的直流，则可以使用多光束来抵消扰动流的影响。可以在“时钟的其他角度”放置额外的波束，并将其信号组合在一起，以提供更准确的平均流速表示。请记住，根据管道的尺寸和遇到的流动条件，传感器的配置可能会有很大不同。简而言之，没有典型的安装或应用程序规则。
附加传感器
传感器安装方式多种多样，通常取决于设备的安装地点和时间。安装类型包括直接安装或非侵入式安装。直接安装的设备包括阀芯仪表，之所以这样命名，是因为包含传感器的短法兰管道部分类似于螺纹阀芯螺栓固定和焊接式设备。这些类型的传感器大多安装在工艺管道安装的早期阶段，以避免在后期改造情况下“降低工艺”。然而，焊接式换能器可以热接安装，允许在将它们添加到系统中时具有一定的灵活性。
J-Tec Associates公司(Cedar Rapids, IA)销售副总裁Randy Brekke表示，使用超声波流量计的最大优势，无论是传输时间还是多普勒，都不需要切割管道。能够使用外部安装的换能器，为控制工程师在安装流量计的时间和地点提供了极大的安装灵活性。
外部安装的传感器可用于传输时间和多普勒仪表。有两种基本类型。夹紧型安装在需要流速的管道外部。为了使夹紧式换能器工作，它所连接的管壁必须能够传递声音，并且干净光滑。管路内部无油污、水垢等吸音物质。建议在换能器和管道之间使用声学耦合材料(油、润滑脂或环氧树脂)。
在不能适应钳式传感器的地方，必须使用湿式冲洗式传感器(有些设计类似于火花塞)来提供一个良好的接口，将声能传递到介质中。对于这些换能器，不需要切割管道，但必须在管道上钻孔并打入安装孔，在此过程中需要停机和/或管道排水。
对于新建筑和过程中断(定期维护，一般清洁和卫生等的计划停机时间)不是问题，阀芯件装置的安装简单直接。西门子能源与自动化公司(Grand Prairie, TX)提供用于液体的超声波流量计Sitrans F US。该设备提供线轴片安装，可在1-，2-，3-和4-in。公称直径，四个标准DIN尺寸，合适的法兰设计。由于它适用于有限数量的管道尺寸，因此与“一种尺寸适合大多数”的夹紧型相比，安装灵活性受到限制。
然而，每个尺寸的专用计量管允许更精确地控制超声波路径。在Sitrans F US中，其专用流管设计采用内置反射点，使得沿测量路径的流速对应于所有流型的平均流速。该装置的专利螺旋声路据说可以在宽流量范围内实现高精度。
流量计是专用的还是便携式的，更多的是电子设备的功能，而不是传感器安装的类型。专用设备是为给定位置指定的，因此，从工厂获得的设备经过校准，符合给定的管道尺寸和流量范围。
真正的便携式超声波流量计是基于微处理器的设备，可以在现场重新调整和重新校准，使它们能够相对轻松地从一个位置移动到另一个位置。通常用于测试和验证目的，诸如J-Tec的compute - flow Model JC5等设备具有板载键盘和LCD，夹紧式传感器和手提箱。与专用设备不同，便携式电子设备并不意味着要永久安装。
适应气体
钳式传输时间超声波流量计最常用于液体，然而，传感器和信号处理技术的进步已将其应用范围扩展到气体应用。在GE Panametrics (Waltham, MA)的情况下，GC868型夹紧式气体流量计将该技术扩展到3英寸管道的气体应用中。直径或更大，压力超过90psi。
GE Panametrics的应用工程师Daryl Belock表示，如果气体密度很高，输送压力在几千psig范围内，传输时间技术总是适用于气体流动，而不是现实世界中常见的情况。让仪器在更小的管道尺寸和更低的压力下准确读取流量是一个突破，这是一个基于电子的突破。在实际应用中对该技术进行了初步研究，以证明产品的可行性。
超声波测量技术作为一种可行的流量计技术，多年来取得了稳步的发展。广泛的适应性和易于安装，它的两个最重要的特点，已经大大增强了通过电子和传感器设计的进步。虽然没有一种流量仪表是普遍适用的，但超声波流量计在这方面做得很好。
评论?电子邮件djohnson@reedbusiness.com．
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超声波流量计处理范围广泛的变量
埃索石油有限公司位于南安普顿河畔福利的炼油厂是英国最大的炼油厂，也是欧洲最大的炼油厂之一。其33万桶/天的产能供应了英国15%以上的石油产品，其中85%的产品通过管道输送到包括希思罗机场和盖特威克机场在内的7个主要机场。福利基地还包括一个由埃克森美孚化学有限公司运营的综合化工厂。
每种原油都有自己的成分。为了保持灵活的操作，福利炼油厂必须处理来自世界各地的30种不同类型的原油。作为原油储罐优化项目的一部分，Esso开发了一种使用流量计管理原油库存的方法，作为在线混合过程的一部分，以最大限度地提高效率并降低成本。
解决无法实现的问题
Krohne Inc.(皮博迪，马萨诸塞州)提供6个12英寸。6个20英寸的。迪亚。双光束UFM 500超声波流量计。流量计成对布置，第一个流量计配置为保护泵免受低排放流量的影响，第二个流量计配置为通过控制阀调节流量，以使正确的原油比例混合。选择超声波流量计以满足项目所规定的精度，以满足混合工艺所需的整个流量和粘度范围。此外，现场外管网延伸面积超过3平方英里，因此管道尺寸流量计有助于最大限度地减少整个系统内的固有压降。
埃索在福利现场的工程团队提供了该项目所需的精确且极其苛刻的流量计规格。由于流速低、粘度高，再加上流经层流、过渡和湍流区域的流速和粘度的总体范围，工程人员认为很难达到所需的精度和性能标准。这种工艺要求，加上物理限制导致流量计上游出现多个面外弯管，使流量计超出了正常性能范围。对于12英寸的井眼，速度要求在3.4-12.5英尺/秒之间。流量计，和1.3-4.5英尺/秒的20英寸。流量计。粘度范围从3到1800厘托。
即使具有广泛的过程变量，UFM系列流量计也符合性能标准。通过对流量计的串联布置，尽管上游管道弯道可能会产生扭曲的流动曲线，但仍然可以实现一致的流量输出。混合系统的控制软件通过安装在原油储罐上的雷达储罐测量系统对流量计进行自检。
超声波来拯救我们
有时，方便安装夹紧式超声波流量计是改造情况下的首选仪器。一个典型的例子是，独立天然气生产商(IGP, Gillette, WY)采用了Dynasonics (Racine, WI)系列TFXL小管超声波流量计，以取代位于附近土地管理局(BLM)土地上的IGP煤层气井中损坏的机械流量计。
IGP使用流量计来测量在油井运行期间泵送到地面的水量。由于这项工作是在BLM的土地上进行的，IGP必须报告带到地表的水量。IGP还使用流量计来优化油井的生产，并防止管道堵塞时泵(可位于地下1500英尺处)烧毁。所有的传感器信号都被传送到带有遥测技术的小型个人电脑上，在那里它们被监控和记录。TXFL流量计适用于管道尺寸1/2-2 in。，在50:1的测量范围内线性工作。与它们所取代的涡轮流量计不同，双向txfl不会阻碍流动，也不会堵塞这些井中常见的煤和岩石碎片。它们消除了旁路管线的需要，不会错误地将气体流量记录为水流，并自动计算水中气泡含量的体积补偿，从而实现更准确的流量测量。
超声波流量计的简史
超声波流量计开始于1963年，当时东京Keiki(现在的Tokimec)首次将其引入日本的工业市场。1972年，controllotron公司(纽约州哈帕格)将夹紧式超声波流量计推向美国市场。其他国家也在20世纪70年代和80年代加入了这个市场。
当超声波流量计首次被引入时，人们对两种基本类型(传递时间和多普勒)的正确应用条件并没有很好的了解。早期，一些用户误用了这些仪表，导致测量结果不准确。这些经历给一些用户留下了对超声波技术的负面印象。幸运的是，市场已经从这些事件中恢复过来。
超声波流量计用于气体流量测量始于20世纪80年代初，当时Ultraflux(泊西，法国)和Panametrics(现为GE Panametrics)都对超声波流量计进行了气体应用测试。然而，气体流量测量的重大事件直到1995年才发生，当时欧洲研究GaziSres (GERG)出版了技术专论8，其中规定了使用超声波流量计进行天然气保管转移的标准。在这一点上，超声波流量计成为压差和涡轮流量计的重要替代品，用于监护传输应用，特别是在欧洲。
1998年6月，美国天然气协会发布了AGA-9报告，该报告对美国市场的作用与GERG报告对欧洲市场的作用相同。两份报告都指定使用多路径超声波流量计，这意味着使用多个超声波信号来计算流量。这些报告的发表大大促进了超声波流量计的销售。
超声波流量计在液体应用中的应用也在不断增长。然而，大部分增长是在过境时间方面。通过使用先进的电子设备，透射时计在测量含有一些杂质的液体流量方面变得更加熟练，使它们比早期的型号具有更广泛的应用基础。
在过去的五年中，许多供应商向市场推出了新产品。其中包括用于天然气保管转移的多路径设备和用于一般气体应用的夹紧式流量计。超声波流量计市场在新产品发布方面一直是最活跃的市场之一。这种趋势可能会持续下去。
杰西·约德是流量研究公司(马萨诸塞州韦克菲尔德)的总裁，也是月度报告《世界流量监测服务》的作者。与他联系:jesse@flowresearch.com．
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