浅析对超声波流量计性能的工业研究评估

一、前 言
超声流量计是经过检测超声波脉冲在流体中的传达时刻导出气体体积流量的。关于1台超声流量计，因为断定流量准确度是流量计规划和核算办法、上游管道要求的函数，这不同于许多传统的检测办法。
举例，孔板流量计检测流量，对已断定的流出系数的准确度之内，要求对称，无旋涡流。为了得到已公布的流量检测的功能，AGA 3号陈述建议了最小的直管段长度、管径的改动、孔板流量计上游的装置要求。当孔板流量计规范（β比）添加，因为减少了流量阻塞，使孔板对速度剖面的整型效果也减小了，其对流体搅扰的灵敏度也添加了。
涡轮流量计因流体对转子的效果也改善了活动剖面。因为进口活动剖面的改善，使涡轮流量计的功能也得到了改善。因为涡轮流量计对速度剖面的非对称性灵敏，为此，AGA7号陈述要求涡轮流量计运用整流器以消除进口的活动旋涡。
因为超声波流量计根本上没有影响人口活动的障碍物，流量计不会改动活动剖面，这种流量计依据流量计取得的活动样，依据牢靠的核算办法准确地断定流量。
在多声道超声流量计的规划中，制作者尝试对流量计进行优化以下降它们对活动搅扰的灵敏。如果流量计能够对一切的活动搅扰做批改补偿，那么，就能够不必整流器了。但是，因为有少数已宣布的有关整流器怎么影响多声道超声流量计功能的材料，对整流器与超声流量计联合运用仍有兴趣。依据其它型式的流量计的运用经历，整流器意味着潜在的效益。
作为一个替代多声道流量计的有效益的方案，与价格便宜的单声道超声波流量计一同运用整流器也是有意义的。别的，有少数牢靠的试验数据证明晰运用整流器的单声道流量计的功能。
这些成果得自第一部分试验，这些试验企图断定8in单声道和多声道超声流量计以不同配管装置和当与1台整流器联合运用的有用经历。这个试验是在试验流量计上游设置一个弯管或两个弯管，并且在流量计加装或不装整流器的状况下运转的。
进一步的试验是方案评价双向流量计检测功能和流量低于流量计才能1%时的流量检测准确度。在流体可所以双向活动的当地，如地下储气设备，方案装置超声流量计的人们对双向检测功能是重视的。
关于一个计量站的装置，需求断定流量计的数量和口径，因为量程比的原因，低流量的检测功能也应重视。
二、试验办法
流量计装置在高压环路（HPL）的测验管段上，试验介质为运送级的天然气。一同搜集超声流量计和HPL上的临界流喷嘴组上的数据，它们作为流量规范。
在不同的压力下，5个双加权的音速喷嘴相关于HPL称重罐体系进行现场校准。一切的校准，由1台在线气相色谱仪和 AGA 8号陈述状况方程断定气体性质。
与HPL的参比压力相关的静压，在1台流量计下流两倍管径处检测。气体温度在每台流量计下流三倍管径处检测。检测的温度和压力与测得的气体组分和超声流量计测出的气体体积一同被用于核算超声流量计的质量流量，这个质量流量再用来与临界流喷嘴断定的流量进行比较。
依据制作厂选用的方案，超声流量计能够用不同的办法得到体积流量。流量计M3和M4内部的校准办法用来核算总的气体体积和运转期间的时刻。然后依据总的量核算均匀流量。
流量计M1和M2陈述（检测）实际流量，每秒供给一次流量值，断定均匀体积流量。单个通道的状况、速度和声速数据也被记录。
典型的测验体系由经过活动环道的可循环气体构成，并到达气体温度和压力安稳，选择和切换不同的音速喷嘴组合断定安稳的流量。一个测验点由流量和其它度量90s周期内核算的均匀值组成。一个测验点要重复6次以核算均匀值和规范差错。检测数据一同也由2台涡轮流量计搜集。涡轮流量计的数据承认试验的共同性。
用于本次试验的4台流量计由制作厂供给，它们都是可商业化的。在本项目试验前没有做过流量校准。4台流量计有2台多声道的，有2台单声道的。表1给出了流量计声道安置状况。

表1 测验流诅计几许参数

一切流量计制作成共同的法兰至法兰尺度（31.5in长度）和内径（在0.005in之内）以方便不同装置方位的流量计交流。制作厂家供给了依据专用程序对机械、电子和其它检测的流量计设定参数。在测验的时分，用与流量计的剖面批改参数由制作厂家查看。有关测验条件的特别参数（用于流量计内部的电子学的流体性质）依据需求每次进行调整。
三、根本测验装置
根本测验的管线装置示于图1。一切的配管由8in内径的40号碳钢管（7.981in内径）制成，内部焊缝磨光。测验的流量计装置在90°长径弯头下流40D（D＝8in）、59D、97D处。弯头的上游装置一个 12in×16in×10in的Sprenkle流束整流器，整流器之后是一个 10in×8in的同心大小头和43D 8in直管段直到弯头。每台流量计可在四个轴向方位中的两个进行测验（见表2）。

表2 流量计在基准条件下的测验方位

图1 根本流量测验的管线装置

对每一台流量计的完好的测验方案，要求在4个方位上都要进行测验。当流量计以一个轴向装置方位移到另一个方位时，上游和下流的直管段（分别是10D和5D）应与流量计一同全体拆卸，以使衔接流量计上游和下流的法兰对中。与每一台流量计有关的压力和温度变送器，在流量计方位改换时也应保留在原直管段上以便减少附加差错。
四、根本测验成果
2台多声道流量计（M1和M3）在基准装置条件下的测验功能示于图2和图3。成果以百分差错标明（相关于 MRFHPL临界流喷嘴），其作为经过流量计的均匀流速的函数。一个点代表了每个流量下6个重复检测的均匀值，差错带标明95%置信水平。
关于流量计M1，在速度大于10ft/s时，一切的数据均落于0.4%规模之内，与速度无关（见图2）。 在流速低于10 ft/s时，差错曲线向上偏转，这可能是一个正向的零差错或者批改算法的违背引起的，这不能完全以为是低流量下的速度剖面不同所形成的，或许是两种影响的组成。
查看流量计的零流量，指示出零点飘移量为0.01ft/s。如果去掉零飘移，向上的偏转将会被拉平，因为最小的速度点（2.8ft/s）飘移为0.35%而在5.6ft/s的点飘移为0.18%。无论怎么，这阐明不能以为曲线向上偏转完全是零点飘移引起的。

图2 多声道流量计M1的根本流量检测成果

查看流量较准曲线，显示出当流量计装置在97D处和装置在59D处检测的差错之间有大约0.2%的差值。在97D处的差错比59D处的差错数值大（更向负方向）。相似的检测差错也存在于 400 lb/in2（A）和 900lb/in2（A）的测验状况之中。
流量计M3的检测差错与流经流量计的速度有关，示于图3。这台流量计检测差错的非线性特征不同于从前在MRF（Grimly）和其它当地（Van Bloemendaal和Van der Kam完结）做过的12in流量计的相似的试验所观察的成果。只要流量计装置在59D处，在压力400 lb/in2（A）状况下搜集到的数据，均匀流速还在10ft/s以上时，差错落在0.3%规模之内，当速度增大时差错曲线向下倾斜。

图3 多声道流量计M3的根本检测成果在59D、400 lb/in2（A）数据组中，单个声道状况信息标明，这是因为被检测的传达时刻不能经过内共同性查看。这可能就是与其它数据组有差错的原因。
数据，包含可疑的数据组，在速度10 ft/s以上时，坚持在0.5%差错以内，这些数据也标明，当压力从400 lb/in2（A）增到900 lb/in2（A）时流量检测差值为0.2%。当流量计在 59D与 97D处比较，压力在900 lb/in2（A）时的现量成果差值为0.1%。
关于该差值的可能解说是，在59D今后速度剖面继续发展。经过单个声道速度比的比较，能够看出速度剖面形状改善。表3标明的是流量计M1在最大流量点，中心声道速度（超声声道在管线轴中心线）对外部声道速度的比值。流量计M3的相似的核算值示于表4。因为流量计具有仅有的声道方位，关于不同的流量计型式不应该进行比较。

表3 M1中心到外部的速度

表4 M3中心声道到外部声道的速度比

但是，2台流量计在59D和97D的试验成果之间存在着共同性的不同。59D试验数据的较小比值阐明晰该处的速度剖面比97D处的速度剖面具有较小的弧度。流量计的呼应性的不同也会有一个剖面灵敏性的成果。对速度剖面进行检测的意图是更好地特性化在基准装置条件下的速度剖面。
单声道流量计M2（见图4）装置在78D处时有大约-1.2%的偏移；装置在40D处有大约-1.8%的偏移，这台流量计的成果阐明，在流量检测中的差错值与压力无关，但与轴向方位有关。单声道流量计M4在两个轴向方位和两个操作压力的测验差错曲线标明于图5中。曲线标明有一个0.5%的均匀差错，这也标明，在线压力比90°弯头和流量计之间的间隔对检测成果影响更大。

图4 单声道流量计M2的根本检测成果

图5 单声道流量计M4的根本流量检测成果差错曲线标明晰速度在10ft/s以下，在400 lb/in2 （A）、78D处的数据大的差错与其它成果的不共同性。一般，单声道流量计的检测数据比多声道流量计检测的数据更涣散。因为这种流量计不具有多声道超声流量计均匀气流的长处，这个涣散是不奇怪的。单声道流量计的这一特性在流量低于10ft/s时尤为显着。
五、 装置对测验的影响
到现在现已实施的影响测验的装置工艺示于图6。单声道流量计在两个不同的方位1和2（一个单90°长径L形弯管下流10D和19D）进行测验。多声道流量计在两个平面安置的弯头下流，在方位3和4（第二个L形弯管下流10D和19D处）进行测验。

图6 初期用于上游流量影响测验的管线安置测验管线为裸管，在方位3和4上游装置有2台不同的流束整流器。第一台流量计坐落整流器出口下流5D处，这符合AGA 7号陈述对涡轮流量计装置的最低要求。别的，多声道流量计的测验中，两个平面弯头的安置是与管道成水平方向设置的。因为这种安置代表着一种装置方式，即弯头供给了一个竖直的偏移，故流量计要旋转90°以坚持其检测声道与活动搅扰的相对正确方位。
六、 装置对测验成果的影响
这些成果以与基准条件下的测验成果的差错方式陈述出来。
关于多声道流量计M1和M3，流量计装置在单90°弯管下流97D处取得的数据成果代表基准条件下的测验成果。单声道流量计M2和M4，流量计装置在90°弯管下流78D处，取得的成果用于基准条件下的测验成果。基准条件下的测验成果是一个最挨近优化的工艺装置所能得到的成果。
多声道流量计M1在两个平面弯头下流10D处测验的成果示于图7。测验成果标明，裸管装置发作的检测差错在根本检测成果的0.5%规模之内，相对差错在0.3%～0.5%量级。相对差错出现在高气体流速状况。流量计装置在第二个弯管下流10D处，配备有19管制整流器和GFC型整流器的测验成果没有显着的不同。在速度20ft/s以上，两种整流器下降相对差错至少到0.25%。
关于速度20ft/s以下，一切的成果趋于收敛，这标明流量计要么是对装置安置发作的速度剖面灵敏，要么是在这个速度规模内的速度剖面影响没有显着的不同。所方案的速度剖面的测定将有助于解说这些成果，它也将进一步对现已搜集的与单一声道速度比有关的数据进行解说。
装置在两个平面弯头下流19D的流量计M1的测验成果示于图8。裸管和19管制整流器的成果相对检测差错都约为0.5%。当流量计装置在弯管下流19D处裸管检测的差错比流量计装置在10D处的差错略微大一些，在10ft/s速度以上，与GFC一同装置的检测成果与基准条件下的测验成果比较较在0.l%之内。别的，低流速时，检测成果收敛。

图7 同一平面内相距10D的两个弯头下流10D的多相流量计M1的相关功能

图8 同一平面内相距10D的两个弯头下流19D的多相流量计M1的相关功能

装置在双弯头下流的多声道流量计M3的测验成果（见图9）标明，关于裸管，当速度大于20ft/s，M3的差错小于0.25%。19管制整流器和GFC整流器成果将裸管的检测成果包含在内，具有-0.30%～25%的差值。相对差错跟着活动速度的改动是由在97D、400 lb/in2（A）处基准条件下的测验数据（见图3）的弧度引起的。
由装置在19D处的流量计M3测验的裸管装置条件下的成果示于图10中，与10D方位的流量计数据比较偏移了大约0.2%，并且在20 ft/s速度以上，仍坚持在根本测验成果的 0.25%之内。除了最高流速以外，19管制整流器的数据挨近共同。关于气流速度45 ft/s以上，GFC发作的检测差错比19管制整流器和裸管更挨近于基准装置条件下的差错。

图9 图7 同一平面内相距10D的两个弯头下流10D的多相流量计M3的相关功能

图10 图7 同一平面内相距10D的两个弯头下流19D的多相流量计M3的相关功能

由图7至图10的测验成果标明，对多声道超声流量计运用整流器有必定优点，这取决于流量计的型式和方位。上面有些状况相关于基准条件下的测验差错偏移会引起这样的绝对差错，这些绝对差错实际上比基准条件下的成果更挨近于零差错。这个成果是由意外引起的仍是流量计研讨中因不够抱负的速度剖面引起的尚不清楚。
在一个90°长径弯管下流10D和19D处装置的单声道流量计的测验成果示于图11。检测成果标明差错偏移相关于装置在90°弯头下流78D处的基准条件下的测验差错约2%～2.2%。流量计绕轴线旋转90°发作的附加差错偏移为1.3%。

图11 单个90°个弯头下流单声道流量计M2的相关功能

图12 单个90°弯头下流单声道流量计M4的相关功能

因为在这一例子中，单声道流量计以其正常方位装置，它的声道与笔直方向成30o，很可能与流量计的装置方位有关。在这种装置中，活动的非对称首要重量在笔直平面内，当流量计旋转90°时，相关于活动搅扰的声道方位发作了改动。
装置在弯头下流19D的流量计M4除了90°方位外，相关于基准条件下的偏移约为1.5%～2%，成果示于图12。因为检测声道与笔直方向成45o应该是这一原因，这台流量计的测验成果阐明与其方位根本无关。在这种状况，虽然当流量计机体的轴中心发作偏转，声道方位相关于活动搅扰仍坚持共同。
七、结 论
基准条件下的测验阐明，在一个长径90°弯头下流59D处流体速度剖面没有充分发展，测验的流量计对随后的发展中的速度剖面灵敏。这标明测验的8in流量计的准确度能够经过流量校准得以改善。
8in的多声道流量计的测验成果标明，运用整流器对改善检测准确度具有潜在优点。
单声道流量计测验标明其具有潜能，在流场条件好的状况下，能够取得优于0.5%的检测准确度。经过装置在一个单个的90°弯头下流10D和19D处的流量计的测验阐明流量计对一个简单的扰流的灵敏度。相关于基准条件下的测验，流量检测差错规模为1%～4%。
试验测验成果只是一个大的测验方案的开始，对取得的数据和来自这个测验方案其它的试验材料进行更加深人的分析，将取得有关超声流量计在高压天然气中运用功能的新认识。(end)