超聲波流量計如何降低噪聲干擾及解決辦法

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(diǎn)，多聲道超聲波流量計在天然氣計量領(lǐng)域越來(lái)越得到廣泛應用。目前，針對超聲波流量計的技術(shù)標準及報告有：GB/T18604—2014《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》（下文簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T18604）、ISO17089－2—2012《封閉管道內的流體流量測量－氣體超聲流量計－第1部分：用于貿易計量和分配計量的流量計》（下文簡(jiǎn)稱(chēng)ISO17089）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(jiǎn)稱(chēng)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(jìn)作用，但由于缺乏詳細和嚴格的安裝指導，不能指導工程設計人員對現場(chǎng)儀表進(jìn)行設計安裝。

影響超聲波流量計流量測量結果不確定度的因素很多，比如流量計上游直管段內壁粗糙度、氣體成分、上游直管段長(cháng)度、流量計上游流體流態(tài)、噪聲干擾、氣流脈動(dòng)等。對操作人員來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)的是管道中的噪聲可能會(huì )干擾超聲波流量計的工作，進(jìn)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，比如流量調節閥。

本文重點(diǎn)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(kāi)始階段，如果工程設計人員能認識到這些影響因素并采取相應措施，可以很大程度上降低工程成本，而一旦所有設備都安裝完畢，發(fā)現了問(wèn)題再采取措施，一般就要付出高昂的代價(jià)。所以，了解這些減少噪聲影響的措施是非常必要的，它可以指導用戶(hù)正確應用超聲波流量計。

2 噪聲對超聲波流量計的影響

工藝裝置運行中會(huì )產(chǎn)生噪聲，如高速氣體通過(guò)管子、管件、突出的溫度傳感器、調節閥等。研究發(fā)現，產(chǎn)生噪聲最大的是大壓力降調節閥，這種噪聲如果不加以處理，會(huì )干擾流量計的信號檢測系統工作，并導致傳輸檢測錯誤。調節閥產(chǎn)生的噪聲大小及性質(zhì)與調節閥的設計有關(guān)。有些調節閥為達到“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。雖然調節閥可以通過(guò)籠式設計等手段來(lái)降低噪聲信號，但調節閥特性也決定了任何帶節流特性的閥門(mén)都是一個(gè)潛在超聲噪聲源。研究表明，閥體能量損耗與通過(guò)閥體的壓力降及實(shí)際工況流速成正比，而噪聲隨著(zhù)通過(guò)閥體能量損耗的提高而提高。

P=q_VΔp

式中 P———能量損耗，W

q_v———工況流量，m³/s

Δp———閥體壓力降，Pa

例如一條公稱(chēng)直徑為200mm的天然氣管道，氣體流過(guò)調節閥的流速為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(huì )被限制在2W以?xún)�，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(huì )在調節閥的上游和下游傳播，所以?xún)H將超聲波流量計安裝在調節閥之前并不能保證流量計不受調節閥噪聲的干擾。實(shí)驗結果表明，調節閥安裝在流量計下游，離調節閥近的傳感器受到的噪聲干擾比離調節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，應用流量計測量某個(gè)產(chǎn)生噪聲的調節閥流量，必然會(huì )產(chǎn)生錯誤的結果。所以，改善流量計對聲脈沖的識別和檢測，同時(shí)提高信號的過(guò)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節閥的上游，好處是壓力較高，信號較強，不會(huì )放大噪聲。

④加長(cháng)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備都會(huì )減弱噪聲。但直管段長(cháng)度可能需要多倍管徑才能消減噪聲干擾，所以安裝隔離設備更方便有效。實(shí)驗表明，過(guò)濾器、熱交換器和渦輪設備都是良好的降低噪聲的設備。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(guò)盲三通后噪聲被反射回去。

⑤用兩個(gè)閥門(mén)來(lái)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(zhù)。消噪器就是使用單一的與流量計波長(cháng)相同的復合型小反射設備、泡沫或有粘性、彈性、吸收性的一些設備實(shí)現消除噪聲的目的。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(huì )影響流量計的精度。

超聲波消噪器通常會(huì )發(fā)生堵塞和一定的壓力降，因此會(huì )喪失一些優(yōu)勢。但是在有些情況下，比如與調節閥較大的壓力降導致產(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用消噪器降低噪聲。

4 安裝條件的影響及解決辦法

ISO17089和GB/T18604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(cháng)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(mén)、匯管、彎頭等）會(huì )對進(jìn)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備可以有效地消除上游產(chǎn)生的流態(tài)變化。目前對于天然氣長(cháng)輸管道分輸站上下游之間、天然氣門(mén)站與下游工業(yè)用戶(hù)之間等用于貿易交接的應用中，一般將整流設備作為計量管路的基本設計內容，并把流量計與上下游直管段及整流設備一并校準，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(cháng)度，AGA9號報告和GB/T18604給出了不同的指導數據。AGA9號報告推薦10D（D為管道直徑）直管段在整流設備前、10D直管段在整流設備和流量計之間、流量計下游5D直管段。GB/T18604指出，在安裝整流設備的情況下，流量計上游至少需要30D的直管段，且整流設備至少安裝在流量計上游10D處，流量計下游直管段長(cháng)度至少為5D。

在實(shí)際工程應用中，由于受到安裝空間以及橇體運輸等條件的限制，一般采用AGA9號報告推薦的直管段長(cháng)度要求，而且設備廠(chǎng)家也承諾在此條件下，超聲波流量計量系統可以達到測量精度及穩定性等性能要求。

5 結論

①超聲波流量計量系統設計階段就要充分考慮到調節閥對流量計的潛在噪聲影響，項目實(shí)施后再改造難度大，成本高；

②超聲波流量計務(wù)必安裝在調節閥的上游；

③盡可能用管道或其他設備將流量計和調節閥隔離開(kāi)；

④條件允許的情況下，用盲三通代替彎頭；

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

⑥用兩個(gè)閥門(mén)共同分擔壓力降的辦法可以降低噪聲，但造價(jià)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。