摘　要：闡述噪聲對超聲波流量計的影響，分析降低噪聲干擾的措施、安裝條件對超聲波流量計的影響及解決辦法。
關(guān)鍵詞：超聲波流量計；  調(diào)節(jié)閥；  噪聲干擾；  能量損耗；  消噪器

Analysis on Influence of Noise on Ultrasonic Flow Meter

Abstract：The influence of noise on ultrasonic flow meter is described．The measures to reduce the noise disturbance，the influence of installation condition on ultrasonic flow meter and the terms of solutions are analyzed．

Keywords：ultrasonic flow meter；regulating valve；noise disturbance；energy loss；noise blanker

1　概述

超聲波流量計具有計量精度高、維修維護成本低、帶自診斷功能等諸多優(yōu)點，多聲道超聲波流量計在天然氣計量領(lǐng)域越來越得到廣泛應(yīng)用。目前，針對超聲波流量計的技術(shù)標準及報告有：GB／T 18604－2014《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》(下文簡稱GB／T 18604)、IS0 17089-2－2012《封閉管道內(nèi)的流體流量測量－氣體超聲流量計－第1部分：用于貿(mào)易計量和分配計量的流量計》(下文簡稱IS0 17089)和美國AGA于1998年發(fā)布的AGA9號報告《用多聲道超聲流量計測量天然氣流量》(下文簡稱AGA9號報告)。這些標準、報告對超聲波流量計的使用起到極大的促進作用，但由于缺乏洋細和嚴格的安裝指導(dǎo)，不能指導(dǎo)工程設(shè)計人員對現(xiàn)場儀表進行設(shè)計安裝。

影響超聲波流量計流量測量結(jié)果不確定度的因素很多，比如流量計上游直管段內(nèi)壁粗糙度、氣體成分、上游直管段長度、流量計上游流體流態(tài)、噪聲干擾、氣流脈動等。對操作人員來說，最常見的是管道中的噪聲可能會干擾超聲波流量計的工作，進而影響儀表的性能。這種噪聲最典型的產(chǎn)生部位是有壓力降的地方，比如流量調(diào)節(jié)閥。

本文重點討論噪聲對超聲波流量計的影響以及消除或減少噪聲影響的措施。在項目開始階段，如果工程設(shè)計人員能認識到這些影響因素并采取相應(yīng)措施，可以很大程度上降低工程成本，而一旦所有設(shè)備都安裝完畢，發(fā)現(xiàn)了問題再采取措施，一般就要付出高昂的代價。所以，了解這些減少噪聲影響的措施是非常必要的，它可以指導(dǎo)用戶正確應(yīng)用超聲波流量計。

2　噪聲對超聲波流量計的影響[1]。

工藝裝置運行中會產(chǎn)生噪聲，如高速氣體通過管子、管件、突出的溫度傳感器、調(diào)節(jié)閥等。。研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生噪聲最大的是大壓力降調(diào)節(jié)閥，這種噪聲如果不加以處理，會干擾流量計的信號檢測系統(tǒng)工作，并導(dǎo)致傳輸檢測錯誤。調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的噪聲大小及性質(zhì)與調(diào)節(jié)閥的設(shè)計有關(guān)。有些調(diào)節(jié)閥為達到“低噪聲”的特性，特意把噪聲頻率提高，但高頻率達到超聲波流量計的工作頻率范圍，嚴重影響超聲波流量計的正常工作。雖然調(diào)節(jié)閥可以通過籠式設(shè)計等手段來降低噪聲信號，但調(diào)節(jié)閥特性也決定了任何帶節(jié)流特性的閥門都是一個潛在超聲噪聲源。研究表明，閥體能量損耗與通過閥體的壓力降及實際工況流速成正比，而噪聲隨著通過閥體能量損耗的提高而提高。

P=qvDp

式中P——能量損耗，W

qv——工況流量，m3／s

Dp——閥體壓力降，Pa

例如一條公稱直徑為200mm的天然氣管道，氣體流過調(diào)節(jié)閥的流速為20m／s，可得出流量0.628m3／s，若壓力降約為10kPa，則能量損耗6.28kW，噪聲大小與該能量損耗成正比。對于一般超聲波流量計，如果選用本安型儀表，電氣回路的能量會被限制在2W以內(nèi)，與該能量損耗相比小很多，因此，要想讓儀表的信號能夠抵抗噪聲的干擾必須要采取措施。

噪聲一旦產(chǎn)生，就會在調(diào)節(jié)閥的上游和下游傳播，所以僅將超聲波流量計安裝在調(diào)節(jié)閥之前并不能保證流量計不受調(diào)節(jié)閥噪聲的干擾。實驗結(jié)果表明，調(diào)節(jié)閥安裝在流量計下游，離調(diào)節(jié)閥近的傳感器受到的噪聲干擾比離調(diào)節(jié)閥遠的傳感器受到的噪聲干擾要大2～4倍。

3　消除或降低噪聲影響的措施

①在安裝條件固定的前提下，提高流量計本身的信號處理能力和診斷能力，能有效降低噪聲。

②在正常情況下，流量計的測量精度是很重要的。在精度不能保證的情況下，應(yīng)用流量計測量某個產(chǎn)生噪聲的調(diào)節(jié)閥流量，必然會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。所以，改善流量計對聲脈沖的識別和檢測，同時提高信號的過濾能力，能提高測量的準確度。

③為降低噪聲干擾，宜把流量計安裝在調(diào)節(jié)閥的上游，好處是壓力較高，信號較強，不會放大噪聲。

④加長流量計上下游直管段以及在流量計和噪聲源之間安裝隔離設(shè)備都會減弱噪聲。但直管段長度可能需要多倍管徑才能消減噪聲干擾，所以安裝隔離設(shè)備更方便有效。實驗表明，過濾器、熱交換器和渦輪設(shè)備都是良好的降低噪聲的設(shè)備。彎頭、盲三通也能降低噪聲，最好的方法是安裝盲三通，流體通過盲三通后噪聲被反射回去。

⑤用兩個閥門來分擔壓力降的方法也能減少噪聲的產(chǎn)生，但通常這種方法成本較高。

⑥超聲波消噪器降噪效果顯著。消噪器就是使用單一的與流量計波長相同的復(fù)合型小反射設(shè)備、泡沫或有粘性、彈性、吸收性的一些設(shè)備實現(xiàn)消除噪聲的目的。測試顯示，這種方式可以降低30％的噪聲。消噪器可直接安裝在流量計的下游，法蘭連接，不會影響流量計的精度。

超聲波消噪器通常會發(fā)生堵塞和一定的壓力降，因此會喪失一些優(yōu)勢。但是在有些情況下，比如與調(diào)節(jié)閥較大的壓力降導(dǎo)致產(chǎn)生的噪聲相比，消噪器的壓力降可以忽略不計。在海上平臺等空間受限的情況下可以應(yīng)用消噪器降低噪聲。

4　安裝條件的影響及解決辦法

IS0 17089和GB／T 18604都提出了噪聲對超聲波流量計性能的影響。除噪聲影響外，計量管路配置、上下游直管段長度也是影響超聲波流量計性能的重要因素。

流量計上游不同的安裝條件(閥門、匯管、彎頭等)會對進入流量計的流體流態(tài)產(chǎn)生影響，在流量計上游安裝整流設(shè)備可以有效地消除上游產(chǎn)生的流態(tài)變化[2-3]。目前對于天然氣長輸管道分輸站上下游之間、天然氣門站與下游工業(yè)用戶之間等用于貿(mào)易交接的應(yīng)用中，一般將整流設(shè)備作為計量管路的基本設(shè)計內(nèi)容，并把流量計與上下游直管段及整流設(shè)備一并校準，以消除不同安裝條件對校準后流量計準確度的影響。

關(guān)于流量計上下游直管段長度，AGA9號報告和GB／T 18604給出了不同的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。AGA9號報告推薦10D(D為管道直徑)直管段在整流設(shè)備前、10D直管段在整流設(shè)備和流量計之間、流量計下游5D直管段。GB／T 18604指出，在安裝整流設(shè)備的情況下，流量計上游至少需要3：0勿的直管段，且整流設(shè)備至少安裝在流量計上游10D處，流量計下游直管段長度至少為5D。

在實際工程應(yīng)用中，由于受到安裝空間以及橇體運輸?shù)葪l件的限制，一般采用AGA9號報告推薦的直管段長度要求，而且設(shè)備廠家也承諾在此條件下，超聲波流量計量系統(tǒng)可以達到測量精度及穩(wěn)定性等性能要求。

5　結(jié)論

①超聲波流量計量系統(tǒng)設(shè)計階段就要充分考慮到調(diào)節(jié)閥對流量計的潛在噪聲影響，項目實施后再改造難度大，成本高；

②超聲波流量計務(wù)必安裝在調(diào)節(jié)閥的上游；

③盡可能用管道或其他設(shè)備將流量計和調(diào)節(jié)閥隔離開；

④條件允許的情況下，用盲三通代替彎頭；

⑤在現(xiàn)有安裝條件下，提高流量計本身的信號處理能力(過濾和識別)和診斷能力；

⑥用兩個閥門共同分擔壓力降的辦法可以降低噪聲，但造價較高；

⑦在空間受限，安裝條件達不到要求的情況下，考慮使用消噪器。

參考文獻：

[1]KEVIN W，KLAUS Z．Noise reduction in ultrasonic gas flow measurement[C]//4th International Symposium on Fluid Flow Measurement．Denver，Colorado(USA)：展開，1999：1-9．

[2]李冰，王貴周，汪峰．氣體超聲波流量計用降噪整流裝置的研究[J]．煤氣與熱力，2014，34(12)：B04-B08．

[3]黃和，李瑜，劉俊，等．安裝條件對超聲流量計橇裝計量系統(tǒng)不確定度的影響分析[J]．工業(yè)計量，2013，23(3)：60-63．

本文作者：劉蘭慧  王亮

作者單位：中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第四設(shè)計研究院