在工業(yè)化迅速發(fā)展的大時代，缺少不了壓力變送器、流量計、液位計、密度計、差壓變送器等儀表把現(xiàn)場第一數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)焦た叵到y(tǒng)上，為整個工業(yè)自動化系統(tǒng)充當(dāng)控制、檢測等一系列的眼睛，接下來華恒儀表為您解讀工業(yè)現(xiàn)場最前沿的壓力變送器使用情況。

　　摘要針對天然氣流量計量過程中超聲聲學(xué)噪聲對超聲流量計計量性能影響的問題，在分析超聲波流量計工作原理、超聲信號處理方式、噪聲產(chǎn)生原因和國內(nèi)外降噪技術(shù)的基礎(chǔ)上，從流量計本身和工藝布局方面綜合考慮，歸納了5種可有效提高超聲流量計計量性能工藝降噪方案，可為利用超聲流量計計量的天然氣站場計量工藝設(shè)計和改造提供參考。

　　氣體超聲流量計具有準(zhǔn)確度高、測量范圍寬、無流阻部件、可雙向測量等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于天然氣貿(mào)易交接計量。經(jīng)過多年的應(yīng)用，氣體流量測量多采用時差法超聲流量計[1]。它是通過處理超聲波信號獲得天然氣流量，所以噪聲聲波干擾成為影響超聲波流量計可靠性和準(zhǔn)確度的主要因素之一[2]。國內(nèi)外氣體超聲流量計使用標(biāo)準(zhǔn)[3-4]也對防止流量計聲學(xué)噪音提出了相關(guān)要求。目前有針對氣體超聲流量計噪聲影響分析和改進措施的相關(guān)研究，但都集中在輸氣站場改造和降噪技術(shù)分析，缺少成套的輸氣站場降噪系統(tǒng)工藝設(shè)計方案。

　　1噪聲源分析

　　目前在超聲流量計計量系統(tǒng)中，噪聲源主要有以下幾種。

　　1）超聲流量計自身產(chǎn)生電噪聲[1]，主要指環(huán)境以及電路中的磁電信號引起的干擾，器件的熱噪聲引起的干擾等。這類噪聲一般是在元器件工作時才出現(xiàn)，是非隨機產(chǎn)生的。如外供電源中的高次諧波噪聲；電路板布線不合理引出的高頻晶體振蕩器帶來的噪聲。

　　2）工藝設(shè)備產(chǎn)生噪聲，主要有調(diào)壓裝置、節(jié)流閥、匯管等，其中以節(jié)流件產(chǎn)生的節(jié)流噪聲對超聲流量計的影響非常為常見。各種“無噪音”閥門通過將聲能轉(zhuǎn)換到20kHZ的超聲頻段以獲得聽覺上的無噪，因此調(diào)壓裝置成了產(chǎn)生聲學(xué)干擾的主因素[8]。

　　3）安裝運行不規(guī)范產(chǎn)生噪音，如前后直管段配管不合理、突出的探頭、管道內(nèi)的突出物等，均可產(chǎn)生噪聲，增加對計量準(zhǔn)確性的影響。

　　4）工作環(huán)境噪音影響，環(huán)境噪音引起超聲流量計信號失真。

　　2降噪措施

　　2.1流量計本身的降噪措施

　　針對可能會出現(xiàn)的噪聲干擾，流量計生產(chǎn)廠家在設(shè)計中也會從多方面綜合考慮，采取一些抗干擾的措施[1]。

　　1）一般計量系統(tǒng)中調(diào)壓器的主頻是在60kHz左右，適當(dāng)提升換能器的頻率，避開調(diào)壓裝置的諧振主頻范圍。同時，增強信號處理單元的電容和電感濾波電路，過濾掉調(diào)壓器的次諧振頻率。

　　2）對流量計中的超聲換能器芯片采用技術(shù)手段，使其包裹在全金屬組成的屏蔽層中間，抵抗外界的電磁干擾。

　　3）在超聲換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，考慮從機械結(jié)構(gòu)件上傳輸過來的噪聲的影響，加裝減振部件。

　　4）電路板設(shè)計時，在供電電源部分增加隔離電路，選用優(yōu)質(zhì)的電源模塊。降低電路對噪聲的敏感度，減少噪聲的拾取，切斷外部噪聲耦合路徑。對于信號處理單元的內(nèi)部，采用模擬地和數(shù)字地地線分離的手段，多點接地，合理布線。

　　2.2工藝降噪措施

　　2.2.1在流量計下游合理位置安裝調(diào)節(jié)裝置

　　由于流體流動和節(jié)流件結(jié)構(gòu)影響，一般情況下，向調(diào)節(jié)閥下游傳播的噪聲能量比向上游傳播的噪聲能量更大，故應(yīng)盡量將調(diào)壓裝置安裝在超聲流量計下游，并確保足夠的安裝距離。調(diào)壓器（閥）的工作頻率通常在30~110kHz，而氣體超聲流量計的換能器頻率設(shè)計在120~200kHz，通過選擇較高頻率的換能器，增大流量信號與噪聲的頻率差，增強流量信號和噪聲的辨識度，基本可以大幅降低或消除調(diào)壓器（閥）的聲學(xué)噪聲影響。

　　2.2.2加設(shè)降噪裝置

　　超聲波降噪器又叫消聲器或消噪器，是利用附有吸聲襯里的管道及彎頭，截面積突然改變及其他聲阻抗不連續(xù)的管道等降噪器件，使管道內(nèi)噪聲得到衰減或反射回去，從而實現(xiàn)消噪功能。部分降噪器和整流器一體化設(shè)計，實現(xiàn)降噪和整流雙重功能[9-10]；部分消噪器可將噪聲降低約30%[11]。

　　2.2.3加裝特殊管道組件

　　將一定數(shù)量的管道組件安裝在調(diào)節(jié)閥與超聲波流量計之間，通過阻礙聲波的傳播或經(jīng)過多次反射，減弱噪聲的能量，實現(xiàn)降噪目的。所有的管道組件都可以衰減噪音，衰減的程度與頻率相關(guān)[3]。噪音頻率在200kHz時，不同管道組件所具備的降噪能力見表1。

　　由表1可知，彎頭和三通可顯著降低超聲波噪音。在調(diào)節(jié)閥與流量計之間安裝熱交換器或過濾器，所發(fā)揮的降噪作用將高于彎頭和T形管。

　　3設(shè)計方案

　　在氣體超聲流量計的電路設(shè)計中雖已能有效避免電噪聲的干擾，但對于調(diào)壓器（閥）（含調(diào)壓和調(diào)流）等降壓節(jié)流元件所產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲干擾，因其隨壓力和流量交變及不同安裝位置所形成的環(huán)境，會產(chǎn)生不一樣的聲學(xué)噪聲，很難在實驗室條件下得以模擬，所以優(yōu)化工藝布局解決聲學(xué)噪聲干擾問題，對氣體超聲流量計穩(wěn)定可靠計量就顯得十分重要。在設(shè)計階段，對潛在的噪聲源進行充分論證，從場站工藝布置、設(shè)備選型等方面統(tǒng)籌考慮，從源頭上減少噪聲干擾，是氣體超聲流量計計量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠使用的有效保證。下面介紹幾種常用計量調(diào)壓橇的工藝布局方案[12]。

　　3.1計量橇和調(diào)壓橇單路成串

　　計量橇和調(diào)壓橇單路成串設(shè)計工藝布置方式，在近幾年的省市級燃?xì)廨敋夤こ淘O(shè)計中得到愈來愈多的應(yīng)用。超聲流量計和調(diào)壓設(shè)備之間設(shè)計單個型降噪管以消減下游調(diào)壓設(shè)備回傳的聲學(xué)噪聲，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積少、投資費用少的特點。工藝流程如圖1所示。

　　3.2計量橇和調(diào)壓橇各自獨立帶有匯管

　　計量橇和調(diào)壓橇各自獨立帶有匯管這種工藝布置方式，在長輸管線大型分輸計量站中應(yīng)用較多。其特點是各系統(tǒng)模塊化、集成度高、功能完備并且有相對獨立性，計量橇和調(diào)壓橇之間工藝配置界面清晰，分別設(shè)有獨立的計量和調(diào)壓匯管，匯管之間通常通過埋地的管道相連，有效地消除調(diào)壓器所產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲。該管道布置沿縱向跨距大，場站占地面積較大，相對建設(shè)成本較高，對于地方燃?xì)夤镜戎行⌒推髽I(yè)的工業(yè)用戶則顯得費用投入高。工藝流程如圖2所示。

　　3.3計量橇與調(diào)壓橇之間單匯管和簡易降噪管組合

　　計量橇與調(diào)壓橇之間采用單匯管和簡易降噪管(一個T形管和一個彎管)組合設(shè)計，在城市燃?xì)忾T站、城市管網(wǎng)的輸配站廣泛應(yīng)用。其設(shè)計特點是管線布局結(jié)構(gòu)緊湊，通過簡易降噪管和匯管能有效消除下游調(diào)壓器（閥）帶來的噪聲干擾，保證氣體超聲波流量計獲得優(yōu)良的使用性能。該方案可減少一根匯管配置，場站占用地面積也相對減少，對場站建設(shè)費用投入也會降低。工藝配置方式如圖3所示。

　　3.4計量橇與調(diào)壓橇之間有共用匯管連接

　　計量橇與調(diào)壓橇之間有共用匯管連接設(shè)計方案，主要針對需改建使用氣體超聲流量計計量，適合現(xiàn)場匯管兩面出口大于3D（D為匯管的直徑）條件的工藝布局場合。這種工藝布置對氣體超聲波流量計的抗噪適應(yīng)性要求較高，依據(jù)目前國內(nèi)外主流品牌氣體超聲波流量計的技術(shù)現(xiàn)狀，在計量橇支路和調(diào)壓橇支路的橫向跨距間隔至少大于3D的跨距，才能消除下游調(diào)壓器（閥）帶來的噪聲干擾，保證氣體超聲波流量計獲得優(yōu)良的使用性能。此設(shè)計方案雖然減少一根匯管的配置，但場站占地面積仍然較大，場站建設(shè)費用投入下降不明顯。工藝流程如圖4所示。

　　3.5計量與調(diào)壓橇裝改造的Z型交叉

　　計量與調(diào)壓橇裝改造的Z型交叉設(shè)計方案，常用于一些原雙路渦輪流量計計量調(diào)壓橇裝的設(shè)計改造上。這種工藝布置是通過Z字型交叉工藝連接方式，克服流量計與調(diào)壓器距離太近無法放置型降噪器，利用管道之間的跨度來安裝型降噪器，以消除調(diào)壓器（閥）聲學(xué)噪聲對超聲信號的干擾。此方案雖然占地面積少，但改造施工必須在場站內(nèi)部動火切割焊接，施工安全準(zhǔn)備工作較關(guān)鍵。工藝流程如圖5所示。

　　4結(jié)束語

　　隨著超聲流量計在天然氣貿(mào)易計量中的廣泛應(yīng)用，如何有效降低或消除噪聲對計量準(zhǔn)確性的影響已成為業(yè)界關(guān)注的問題。在輸氣站場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的趨勢下，用戶應(yīng)考慮在特定安裝條件下是否會存在噪音干擾，在站場設(shè)計階段應(yīng)向超聲流量計生產(chǎn)廠家和調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)廠家咨詢，制定標(biāo)準(zhǔn)化的超聲流量計計量調(diào)壓流程，利用各種降噪管道組件、降噪器等，綜合考慮計量系統(tǒng)可靠性和建設(shè)成本經(jīng)濟性，選用推薦的設(shè)計方案，可以保障氣體超聲流量計計量工作準(zhǔn)確和穩(wěn)定運行。

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　　儀器儀表是工業(yè)化進程的基石，只有選用工業(yè)現(xiàn)場選用合適的儀表，才能夠事半功倍，自動化流程才能夠更加自動化。