噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的影響分析

摘 要

闡述噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的影響，分析降低噪聲干擾的措施、安裝條件對(duì)超聲波流量計(jì)的影響及解決辦法。

1　概述

超聲波流量計(jì)具有計(jì)量精度高、維修維護(hù)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(jì)在天然氣計(jì)量領(lǐng)域越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用。目前，針對(duì)超聲波流量計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及報(bào)告有：GB／T 18604－2014《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》(下文簡(jiǎn)稱GB／T 18604)、IS0 17089-2－2012《封閉管道內(nèi)的流體流量測(cè)量－氣體超聲流量計(jì)－第1部分：用于貿(mào)易計(jì)量和分配計(jì)量的流量計(jì)》(下文簡(jiǎn)稱IS0 17089)和美國(guó)AGA于1998年發(fā)布的AGA9號(hào)報(bào)告《用多聲道超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》(下文簡(jiǎn)稱AGA9號(hào)報(bào)告)。這些標(biāo)準(zhǔn)、報(bào)告對(duì)超聲波流量計(jì)的使用起到極大的促進(jìn)作用，但由于缺乏洋細(xì)和嚴(yán)格的安裝指導(dǎo)，不能指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。

影響超聲波流量計(jì)流量測(cè)量結(jié)果不確定度的因素很多，比如流量計(jì)上游直管段內(nèi)壁粗糙度、氣體成分、上游直管段長(zhǎng)度、流量計(jì)上游流體流態(tài)、噪聲干擾、氣流脈動(dòng)等。對(duì)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(jì)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(diào)節(jié)閥。

本文重點(diǎn)討論噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的影響以及消除或減少噪聲影響的措施。在項(xiàng)目開(kāi)始階段，如果工程設(shè)計(jì)人員能認(rèn)識(shí)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(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(dǎo)用戶正確應(yīng)用超聲波流量計(jì)。

2　噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的影響[1]。

工藝裝置運(yùn)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(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(huì)干擾流量計(jì)的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)工作，并導(dǎo)致傳輸檢測(cè)錯(cuò)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(jì)有關(guān)。有些調(diào)節(jié)閥為達(dá)到“低噪聲”的特性，特意把噪聲頻率提高，但高頻率達(dá)到超聲波流量計(jì)的工作頻率范圍，嚴(yán)重影響超聲波流量計(jì)的正常工作。雖然調(diào)節(jié)閥可以通過(guò)籠式設(shè)計(jì)等手段來(lái)降低噪聲信號(hào)，但調(diào)節(jié)閥特性也決定了任何帶節(jié)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，而噪聲隨著通過(guò)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(guò)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(duì)于一般超聲波流量計(jì)，如果選用本安型儀表，電氣回路的能量會(huì)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(hào)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(diào)節(jié)閥的上游和下游傳播，所以僅將超聲波流量計(jì)安裝在調(diào)節(jié)閥之前并不能保證流量計(jì)不受調(diào)節(jié)閥噪聲的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)節(jié)閥安裝在流量計(jì)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(yuǎn)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(jì)本身的信號(hào)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(jì)的測(cè)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(jì)測(cè)量某個(gè)產(chǎn)生噪聲的調(diào)節(jié)閥流量，必然會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。所以，改善流量計(jì)對(duì)聲脈沖的識(shí)別和檢測(cè)，同時(shí)提高信號(hào)的過(guò)濾能力，能提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

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

④加長(zhǎng)流量計(jì)上下游直管段以及在流量計(jì)和噪聲源之間安裝隔離設(shè)備都會(huì)減弱噪聲。但直管段長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)表明，過(guò)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(guò)盲三通后噪聲被反射回去。

⑤用兩個(gè)閥門(mén)來(lái)分擔(dān)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(jì)波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)消除噪聲的目的。測(cè)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(jì)的下游，法蘭連接，不會(huì)影響流量計(jì)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(shì)。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(jì)。在海上平臺(tái)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(duì)超聲波流量計(jì)性能的影響。除噪聲影響外，計(jì)量管路配置、上下游直管段長(zhǎng)度也是影響超聲波流量計(jì)性能的重要因素。

流量計(jì)上游不同的安裝條件(閥門(mén)、匯管、彎頭等)會(huì)對(duì)進(jìn)入流量計(jì)的流體流態(tài)產(chǎn)生影響，在流量計(jì)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(duì)于天然氣長(zhǎng)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(jì)量管路的基本設(shè)計(jì)內(nèi)容，并把流量計(jì)與上下游直管段及整流設(shè)備一并校準(zhǔn)，以消除不同安裝條件對(duì)校準(zhǔn)后流量計(jì)準(zhǔn)確度的影響。

關(guān)于流量計(jì)上下游直管段長(zhǎng)度，AGA9號(hào)報(bào)告和GB／T 18604給出了不同的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。AGA9號(hào)報(bào)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(jì)之間、流量計(jì)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(jì)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(jì)上游10D處，流量計(jì)下游直管段長(zhǎng)度至少為5D。

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

5　結(jié)論

①超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就要充分考慮到調(diào)節(jié)閥對(duì)流量計(jì)的潛在噪聲影響，項(xiàng)目實(shí)施后再改造難度大，成本高；

②超聲波流量計(jì)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(jì)和調(diào)節(jié)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(xiàn)有安裝條件下，提高流量計(jì)本身的信號(hào)處理能力(過(guò)濾和識(shí)別)和診斷能力；

⑥用兩個(gè)閥門(mén)共同分擔(dān)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(dá)不到要求的情況下，考慮使用消噪器。

 

參考文獻(xiàn)：

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

[2]李冰，王貴周，汪峰．氣體超聲波流量計(jì)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(duì)超聲流量計(jì)橇裝計(jì)量系統(tǒng)不確定度的影響分析[J]．工業(yè)計(jì)量，2013，23(3)：60-63．

 

 

 

本文作者：劉蘭慧  王亮

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


摘　要：闡述噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的影響，分析降低噪聲干擾的措施、安裝條件對(duì)超聲波流量計(jì)的影響及解決辦法。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)；  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