夹装式宽束气体超声波流量计的问世对气体计量工业产生了不小的轰动。全球数例的成功应用以及出乎意料的性能更加引起了包括持怀疑态度的同行们的注意，该技术对解决那些无法停输的气体管线上所遇到的难题提供了一种独特的工具。

大量数据已证明宽束夹装式换能器不受压力控制阀噪音的干扰，其自动调零技术避免了运行中影响精度的零漂，其宽束技术改进了由于流态变化所引起的计量误差，保证了在安装位置不够理想或者在直管段不够长的情形下也能达到良好的精度。本文将阐述在理想以及一些最不理想条件下如何使用夹装式技术, 几种夹装式技术的不同，为什么有些技术成功而另外一些技术失败？其原因究竟在哪里？

宽束技术的不同之处

虽然夹装式和插入式气体超声波流量计都采用相同的时差原理，但不同的厂家采用不同的技术。用户应该清楚不同的超声波流量测量技术的优缺点。

夹装式宽束技术也是通过管道径向传递声波，但其传递方式与窄束技术有很大的不同。如图1所示，宽束换能器的设计能够100%的匹配管壁的固有频率和管材的位相速度，将管道变成了流量计的换能器，从而更大面积地对流体计量部分进行采样。

夹装技术的超声波首先是由换能器发出，穿过管壁和介质，经对面管壁反射后，再次穿过介质和管壁，被接收换能器接收，完成发射和接收的过程。气体流量计计量用的声波最终是由管道壁发出的，所以声波是否同管壁频率以及管材位相速度一致会直接影响计量的效果。不匹配的声波同样也沿着管壁传递，但离换能器始发点越远所受管壁不同频率的干扰越大，受到严重干扰的声波无法用作计量比对用。采用这种技术只有换能器始发点的声波受管壁噪音干扰最小，才可以用作计量用，但这些干扰较小的声波也会不同程度地影响计量效果，这就是所谓的窄束技术，可用的声带窄，所有的声波都受到噪音不同程度的影响。

相反，宽束换能器采用宽频技术，换能器在初始安装时发出较宽范围的频率对管壁进行频率扫描和搜索，当发射中的频率一旦同管壁固有的频率相一致时，宽束流量计就锁定这一发射频率，保证发射的频率同管壁的固有频率完全一致，使换能器和管壁二体合一，管道就成了换能器的一部分，沿着管壁发出的声波宽而均匀，保证了对流体的大量采样，充分代表了流态的变化。

采用管壁信号不需停输设定零点并在运行中连续校准零点

与常规流量计不同的是超声波流量计具有实时测量零流量的能力，但在气体管道中真正获得零流量的状况是非常困难的，由于气体的热能效益，即使在阀门完全关闭的情况下几乎也不可能获得稳定的零流量，然而夹装式宽束技术在非停输时对设定真正的零流量提供了非常独特的方法，从图3和图4a 可以看出，宽束技术通过管壁的信号波形未受到噪音的影响，所以同通过气体的信号波形是完全一致，由于这两个信号是独立测量的，所以我们可以用管壁的信号来设定并连续动态地修正零点，这一过程并不受到流体的影响。

管壁可以看作是宽束技术声能的共享器，一部分声能沿着管壁传输，直接进入接收换能器，另一部分声能通过气体传输（见图 5）。通过气体的声束是直接用来测量流量的，但沿着管壁传播的声束从不接触气体，因此也从不受流量变化的影响。如果能保证声束通过管壁往返两个换能器之间的时间完全相同，那么真正的零点就可以设定了，而不一定要停输或担心阀门关闭时气体的不稳定性。

由于金属管道管壁的物理性能非常稳定，所以声束通过两个换能器之间管壁的往返时间一定是相同的。如果产生时间差，就意味着系统产生零漂，这时流量计就会自动修正这一时间差，由于气体中的声波信号是由管道信号产生的，所以修正管道信号的时差就等于修正了系统的零漂。

在流量计运行中，宽束技术连续动态地对零点进行核查和修正，再加上皮秒级时间测量的分辨率保证了包括最小流量的计量稳定性和计量精度，同时也提高了计量量程比。

不同技术的声道含义不同

宽束技术将管道转换成换能器，它所发射的声束更大面积地覆盖所测介质的横截面，这样可以用较少的声道便可达到很高的稳定性和重复性。如图6所示，宽束波束可以“看到”比其它超声波技术更多的流体。

流态自动补偿功能

流量计的安装都有直管段的要求，在贸易交接计量系统设计时通常考虑采用整流器，整流器的运用对保证充分发展紊流是一个有效的方法，然而在现实中，并不是总有条件安装整流器。流量计上下游管道的分布状况直接影响通过流量计的流态。夹装式技术采用径向平均技术测量时间差来获得流体速度。雷诺数补偿通常是根据充分发展紊流进行的，如果不进行雷诺数补偿，时间差径向测量法会 “ 多读 ”流量 ，雷诺数补偿是用来拉低原始平均流速的。多数夹装式时差技术是基于流态是充分发展紊流的假定来进行动态的补偿。然而当实际流态比充分发展紊流更平齐的时候，标准的雷诺数补偿就会造成过大的补偿，这时夹装式流量计就会“少读”流速。

大量试验数据也表明由于宽束技术的优异重复性，管线布局及流量计的安装位置所造成的不良流态是可以修正补偿过来的。另外，管线布局所导致的流态变化是可以预测的。因此可以很合理地讲，不同管道布局对流态造成的影响完全可以通过一个置于流量计内的应用软件来进行相应的补偿。

换言之，如果流量计安装处在单弯头后5倍管径或双弯头后8倍管径，其计量精度可以通过一个修正系数来进行优化。事实上，宽束技术根据理论研究、模拟试验以及30多年在液体流量计的应用经验已确定了修正系数曲线并内置在气体流量计中。

换能器对射式或反射式安装对计量精度的影响

反射式安装是将换能器安装在管道的一侧，而对射式安装是将换能器安装在管道的两侧。在直管段不足的情况下会有很大的横向流存在，横向流是指实际流态流动方向偏离轴向的角度。理论计算和实际数据表明每一度横向流对精度的影响大约是2.3%，值得庆幸的是宽束反射式安装可以自动对横向流进行补偿（如图9所示）。正常运行中，流量计会假定流态是轴向的，反射式安装一对换能器并对发射的声束进行两次径向采样，这样一对换能器等于两个声道，在有横向流的情况下，一个声道会对流态过大补偿而另外一个声道会对流态过小补偿，两者综合误差仅为每度横向流0.007%，远低于上述2.3% 的数值。值得一提的是，目前在气体应用上，只有宽束技术能够进行反射式安装，而窄束夹装技术只能进行对射式安装，易受到横向流的影响。

宽束夹装技术对压力控制阀噪音的抗干扰性

气体压力控制阀的噪音对插入式超声波流量计是一大难题，为了克服这一干扰，插入式超声波流量计的安装只能远离噪音源或者安装复杂的抗干扰管路，从而增加了安装的局限性和安装费用，然而宽束夹装式流量计对压力控制阀有内在的抗干扰性。下面是对这一现象技术上的解释：

假定来自压力控制阀的噪音是向各个方向传播的，那么噪音波的角度可以是相对轴向0-90度的任何角度，同管壁近于垂直的噪音波不会出现沿着管道传播很远就很快消失了的现象，不会造成任何测量问题。我们可以这样设想，只有同轴向角度较接近的噪音波（0～40度）才会沿着管道随着气体传插较长的距离从而导致对流量计的干扰。经过计算得出，在管道里噪声波相对于轴向小于且等于92度时（几乎包括了全部噪音），就会被管壁反射掉，不会有任何噪音穿过管壁进入换能器，然而插入式换能器就不具有对气体传插的噪音的免疫力，噪音会直接进入插入式换能器从而导致无法测量，但采用宽束技术甚至可以将换能器直接安装在压力控制阀的旁边（见图11）。

贸易交接计量时夹装式长管道设计思想

宽束夹装式技术可以将贸易交接用的10D上游直管段、5D下游直管段以及安装夹装式换能器的计量管段做成一个长管段，该设计完全符合AGA9号报告的要求，避免了内径不匹配的问题，节省了两对法兰以及相关人工和运输费用，由于换能器安装在管道的外面，所以只要根据工艺条件和设计标准来确定所需的总管段长度就足够了（见图12a）。这种设计对气体计量保证内径匹配，节省费用具有很大的吸引力。

宽束夹装式流量计对现有流量计的误差确定

夹装式技术中最节省投资的一个应用是用在现有流量计的核查以及计量误差确定上。例如：在现有流量计或整流器有油垢或杂质存在时，在进行清洗前后可以利用夹装式流量计来进行测量，然后将前后两次的读数同现安装的流量计进行比较，这样可以得出与确定清洗手段或读数修正的有效性。图13为变脏后的管式整流器在清洗前后对孔板流量计精度影响的范围为3% 左右。

夹装式流量计另外一个独特的应用是通过对现有计量站流态进行勘查来确定和核实进入现有流量计的流态是否均匀。方法是将夹装式换能器沿着被测管道的四周移动测出不同平面的读数并将其记录下来，通过对数据的分析来确定流态的情形并判断是否有杂质堵塞的情况。

结论

康乐创的宽束技术在各种流态气体计量方面提供了非常独特的手段。大量的经验数据为气体工业提供了多种方法来克服人们更熟知的插入式技术所遇到的挑战和局限性。宽束夹装式流量计优异的重复性和宽大的采样面积使大小管径都能获得相同的性能, 相信夹装式流量计这一新鲜血液将会成为未来气体计量领域的佼佼者。