简述非校准条件的情况下智能超声流量计的操作

1 摘要

 

现在，用于天然气计量的超声流量计的校准尽或许在流量校准设备上进行。已然几乎全部的这些设备运用天然气流过管线，在一般情况下，就不或许改动影响声速的参数，比如温度、压力、气体组成。当超声流量计运用时这些参数假如相异于校准情况下的数值，校准还能起到作用吗？

 

为了定量地描绘这些参数的改动对超声流量计校准的影响，进行了一系列的仔细控制的校准实验。第一步的实验包括在西南研讨院（ SwRI ）的高压回路中运用压力 2.8MPa （ 400psi ）的天然气介质校准一台 200mm （ 8inch ）和一台 300mm （ 12inch ）的超声流量计。作为附加的参看， 200mm 和 300mm 的智能涡轮流量计也应用于回路中。然后把流体介质改为氮气，声速改动了 16% ，数值上等效于天然气 4.6 MPa （ 677psi ）的压力。

 

为了进一步实验压力对超声流量计校准的影响，在压力从 1.4MPa （ 200psi ）到 7MPa （ 1000psi ）的规划内，运用氮气对口径 300mm 的流量计进行了一系列的核算声速检测。检测值标明在这个压力规划内声速的改动在核算值的 0.03% 以内。

 

此外，对温度和流体介质的改动导致的声速的改动，进行了进一步的实验。用天然气在 21 ℃（ 70 ℉ ）和 10 ℃（ 50 ℉ ）进行校准实验，用氮气在 21 ℃（ 70 ℉ ）和 32 ℃（ 90 ℉ ）下进行。对每一系列的校准，对比均匀校准曲线，得出改动对校准的影响。在满意希望的设备和流量计再现性条件下，超声流量计的校准对声速的改动、温度和压力的改动都没有反应。当用于校准的流体介质从天然气改动到氮气时，观察到的细微的改动是由于对这两种气体运用的状态方程不同。

 

这些检验效果证明假如超声流量计在一套条件下的校准程序是可行的，在其他的条件下运用也可以，包括用不同的气体介质。

 

2 导语

 

用于相关买卖的天然气计量用超声流量计的原理是通过检测气体的超声波传达时间。超声波在与流体流向共一同，传达时间要小于逆流时的情况。两种状态下的传达时间差用于核算气体活动的均匀速率。实践的体积流量可用下式标明：

 

这儿 K= 流量计的仪器系数，△ T= 传达时间差，T1= 顺流时的传达时间，T2= 逆流时的传达时间

 

由于这个流量方程式中只包括了流量计的物理学结构尺度和传达时间，它独立于活动气体中的声速（ SOS ）。因而，就可以作出假定：气体流速的测定独立于影响气体中声速的要素，比如温度、压力和气体组成。假如这个假定不正确，超声流量计在不同于现场工作条件下的校准的有效性就值得考虑。

 

首要，对超声流量计气体速度的测定独立于声速，但或许由于下列原因还有一些非有必要的影响。

 

声阻改动了信号对气体的耦合；
雷诺数的改动。雷诺数正比于特定的重力（ SG ）与粘度的比值；
信号的波长（ WL ）随气体组成改动而改动。

 

在不同的介质下留心这些参数是饶有爱好的。下列的表格是针对标准条件，留心对一给定的管径巨细和流速，雷诺数几乎是个常数。
表1 气体性质

 

当从天然气改动为空气或许氮气，许多气体性质会改动，比如声速、特定的重力和粘度。但是，由于它们也随温度和压力改动，超声流量计在操作条件的规划内在气体性质上就有可以梦想得到的交迭，标明违反标准条件不是那么重要。

 

3 研讨政策

 

本文中所论述的研讨政策是判定温度、压力和流体介质改动对气体超声流量计的影响。除了检验超声流量计技术外，该套程序还有支撑这些天然气流量计用氮气或空气校准的作用。

 

现在，在北美只需两套设备可用以在超出流量规划的情况下校准口径大于 200mm 的超声流量计。这些流量计的设备以每年超过 10% 的速度在增加。在将来，校准设备将会变的有很大的限制性。这些校准设备或许在运用不到几年的情况下就需求从头校准。

 

假如超声流量计的校准只限于天然气设备，缔造新设备的或许性会由于方位和费用而被限制。但是，假如可以证明用其它介质校准是等效的，缔造新设备的或许性就大大提高了。用空气校准天然气流量计就不单单针对超声流量计。几乎全部用于天然气计量的涡轮流量计和住所用煤气表都可以用空气校准。

 

4 流量回路校准

 

为了完成该程序的政策，在零流量和其它流量条件下进行实验。零流量的完成用来判定压力对校准的或许影响。

 

4.1 流量回路实验

 

已然现在没有加压的流量校准设备在同一检验回路中既能用天然气校准也能用空气校准，最好的挑选是用惰性气体氮气，它有与空气挨近的性质（空气含 78% 的氮气）。西南研讨院具有一套循环系统（不是气体管线的一部分），它是北美仅有的可以用同一套仪器在相同的回路中既适用于氮气也适用于天然气检验的设备。尽管音速喷嘴设备是用称重系统判定质量流率的校准设备，音速喷嘴流率核算需求气体组成和状态方程来判定气体性质。一同抉择在回路中运用参看涡轮流量计来对比两种体积计量的流量计（比如涡轮和超声流量计）。这种参看表法相比较流量计与音速喷嘴对比的方法对气体组成的以来要小。

 

在西南研讨院的高压回路中用氮气和天然气作为实验流体进行了一系列的标准校准。此外，改动温度相应改动声速。在这些校准实验中，包括仪器仪器、管线安顿和数据搜集系统在内的检验设备不产生改动。

 

高压回路中现已包括了两台 Daniel 300mm 多声道超声流量计，并在参看部分设备了一台 Daniel 300mm 的气体涡轮流量计。一台 Daniel 200mm 多声道流量计紧跟一台 Daniel 200mm 涡轮流量计设备在回路中的检验部分。 200mm 流量计设备在高压回路中的检验部分，避免太阳直射。在 300mm 管径和 200mm 管径变径处下流 5D 处设备一台流量调节器（ Daniel Profile ）。在两台流量计之间至少有 5D 的间隔，在流量调节器和超声流量计之间留出长至 24D 的长度。 200mm 的涡轮流量计设备在 200mm 管径部分，并且与 200mm 到 300mm 管径变径处坚持至少 5D 长度。 
部的校准包括 7 个流量点，在每点重复 6 次。用天然气在 200mm 流量计上流量点分 1.68 、 3.35 、 6.71 、 10.1 、 13.4 、 16.8 和 20m/s （ 5.5 、 11 、 22 、 33 、 44 、 55 和 66ft/sec ），在 300 流量计上对应有小流量闪现。这些流率用音速喷嘴测得，分别用天然气和氮气检验。这些校准的回路散布图示于图 1 中。
 
图1 西南研讨院的高压校准回路
校准的次序如下：

 

(1) 用天然气在 2.8MPa ， 21 ℃校准；
(2) 温度变至 10 ℃，从头校准。温度的改动下降了天然气中的声速，这使得它跟在氮气中的声速很挨近；
(3) 介质从天然气变至氮气。氮气中在 2.8MPa ， 21 ℃校准。留心为了运用相同的音速喷嘴，两种声速比中流率值下降，大约为 0.84 ；
(4) 温度改动至 32 ℃。温度的改动增大了氮气中的声速。这使得它跟在天然气中的声速很挨近。

 

在每个流量点搜集了上面 5 块表的下列数据：

 

超声流量计的 Chord 声速和均匀声速；
气体均匀流率；
校验流率；
校验声速（由西南研讨院核算）；
西南研讨院的温度和压力。

 

4.2 数据分析

 

进行了天然气检验效果和氮气检验效果的曲线对比。对下列项目进行天—天，温度—温度校准数据分析：

 

流量校准数据（流量计对音速喷嘴）；
流量校准数据（超声流量计对涡轮流量计）；
Chord 声速数据（依据 AGA-8 号陈说和气体组成分析的 Chord 声速对核算出的声速）。

 

西南研讨院提出在 95% 置信水平下校准流量计总不判定度约为 0.25% 。比对两个校准效果就会给出 0.35% 的总不判定度。但是，在这种情况下，进行比对的两个校准之间的仅有不同是检验流体。音速喷嘴、涡轮流量计、管线安顿、数据搜集和超声流量计都是相同的。通过比较同一流量计不同的校准之间的差异，对系统的大部分成见可以消除。氮气和天然气状态方程中的不判定度经核算均为 0.1% 。在不同的日子，不同的环境条件下，系统工作的随意不判定度经核算为 0.14% 。对相同的流量计，相同的音速喷嘴，在相同的管线安顿下，用天然气和氮气校准可以抵达希望的总不判定度。

 

4.3 效果

 

5台流量计(2台涡轮流量计和3台超声流量计)中的每一台都校准了 8 次。

 

2 天内在 2 个温度点 21 ℃和 10 ℃用天然气校准 4 次；
2 天内在 2 个温度点 21 ℃和 32 ℃用氮气校准 4 次。

 

开端的天然气在 21 ℃的校准用来作为每一台流量计的参看。另一序号的多项式添加到数据分析中产生校准系数，这些系数在后面的校准中运用。校准曲线的符号如下：

 

NG 10.14=2001 年 8 月 14 日用天然气在 10 ℃检验；
N2 21.17=2001 年 8 月 17 日用氮气在 21 ℃检验。
 
图2 200mm(8inch)超声流量计用天然气和氮气校准的曲线
图2闪现了在回路检验部分 200mm 超声流量计 8 次校准的效果。下列的观测材料可以从校准工作的曲线上得到。

 

两种气体中天 - 天校准数据再现性非常好，均匀大约 0.1% ；
10 ℃和 21 ℃两个校准之间的不同，乃至比两种气体中天 - 天校准数据改动更小，均匀小于 0.1% ；
天然气和氮气两种校准曲线之间的差异均匀小于 0.2% ，与 4.3 部分中估计的一样。氮气校准曲线平铺在天然气校准曲线的下部。

 

比较用两种气体对 200mm 涡轮流量计的校准也是颇有爱好的。这些都示于图 3 中。 32 ℃是用氮气在 11.3m/s 流量点上校准效果的过失被深信是由于仪器产生的过失。关于给定的气体，校准的重复性非常好。再次地，用氮气校准的曲线位于天然气校准曲线的下部。在这些压力条件下，由于涡轮流量计在许多前面的检验中没有表现出密度影响，那么气体组成影响最或许用来说明两种气体校准曲线的可以察觉的差异。
 
图3 200mm(8inch)涡轮流量计用天然气和氮气校准的曲线

 

假如涡轮流量计用来作为参看表，闪现于图 2 中的校准曲线现在变成了如图 4 。在这种情况下，两种气体中工作的校准曲线互相交迭。关于 200mm 流量计，在高压回路中天然气可以抵达的最大流率为 20m/s 。在用氮气校准的实验中，为了运用同一个音速喷嘴，这个流率被减小到 16.8m/s 。
 
图4 200mm(8inch)超声流量计用天然气和氮气校准的曲线
（用涡轮流量计作参看）从 300mm 流量计得到的校准数据给出了类似的效果。但是由于检验流量点在流量计满量程 33% 以下操作，并且校准进程在日光照射下进行，所以校准数据在低流量下略微有些松散。对 300mm 超声流量计和 300mm 涡轮流量计的校准数据标明于图 5 和图 6 中。图 7 闪现了用涡轮流量计作参看的超声流量计校准曲线，天然气和氮气的校准曲线交迭。 200mm 流量计也是如此。

 

 
图5 300mm(12inch)超声流量计用天然气和氮气校准的曲线

 

 
图6 300mm(12inch)涡轮流量计用天然气和氮气校准的曲线

 

 
图7 300mm(12inch)超声流量计用天然气和氮气校准的曲线
（用涡轮流量计作参看）在全部超声流量计的校准进程中，声速都被记载下来。西南研讨院运用在线 Daniel Danalyzer 气相色谱仪得到气体组成数据，并用其与温度、压力和 AGA NO 8 陈说中提出的状态方程一同，从理论上核算出声速值，均匀差异在 0.04% 以内。

 

5 压力检测

 

在 1998 年的论文中， Grimley 和 Bowles[1] 提出了四种不同结构对 200mm 超声流量计的校准数据。实验被规划成判定每种管道安顿和流量条件设置对校准效果的影响。每个流量计的基线测定在 2.8MPa 和 6.2MPa 下进行。两台超声流量计都闪现出两种压力之间大到 0.5% 的差异。

 

Grimley[2] 又用三个厂家出产的多声道流量计作了测定并将效果在当年宣布。这些测定在 1.4MPa 、 2.8MPa 和 6.9MPa 下进行。陈说中主张说转换器随压力的改动趋势可以说明一些流量计的校准效果。尽管 Grimley 得出结论说在运用 Daniel 流量计的情况下这种影响很小。咱们抉择进一步关注这个影响的细节。咱们的实验在下面的部分中描绘。

 

5.1 声速的测定

 

超声流量计推迟时间等于从发射换能器宣布信号到接纳换能器接纳到声波的时间减去超声波在介质中的传达时间。假如推迟时间在换能器上随压力改动，过失就会在测定的流率中反映出来。正如在 Grimley 的 2 号陈说 [2] 中指出的那样，流率的过失将会大约是推迟时间（或声速）过失的 2 倍。

 

Daniel 超声流量计的出产进程中，对每一对换能器的推迟时间作了检测并把数值存储在流量计的电子电路中。这种测定是在 1.4MPa 压力下用纯氮气充溢流量计的情况下进行的。为了判定压力对推迟时间的或许影响，又用 300mm 超声流量计在 2.8MPa 和 6.9MPa 下测定了氮气中的声速。
 
图8 —声速测定效果和核算声速的差异
5.2 效果

 

作为压力函数的声速的检测效果标明于图 8 中，一同示于图中的还有声速测定的过失曲线。该曲线通过比较用流量计测得的声速和依据 AGA NO 8 号陈说中状态方程和压力、温度、气体组成的数据核算的声速得到。

 

正如图中所示，在 5.5MPa 的压力跨度上测得的过失为 0.03% ，仅占流率过失的 0.06% 。这些核算效果几乎完全与 Grimley 的流量回路检验效果共同。

 

Grimley 得出结论说，关于 Daniel 流量计，压力形成的声速的改动太小在测定的流率中不能形成可察觉的过失。此外，他还指出由于压力形成的流率散布改动还不能大到对 Daniel 流量计形成过失。

 

6 结论

 

研讨程序的政策抵达了，得出如下结论：

 

西南研讨院在全部的实验中记载的检测声速值与理论核算值的均匀过失在 0.04% ；
尽管依赖于气体的温度，超声流量计在用天然气从 21 ℃到 10 ℃或用氮气从 21 ℃到 32 ℃校准却没有闪现出改动；
西南研讨院高压回路校准效果中天 - 天数据改动对两种气体都小于 0.1% 。校准设备和流量计的再现性都很高；
以涡轮流量计为参看，依据体积计量的参看系统，超声流量计的校准终究没有表现出天然气和氮气做介质的不同；
以音速喷嘴作为参看，依据质量计量的参看系统，在气体从天然气改动到氮气，超声和涡轮流量计闪现出略小于 0.2% 的改动。这个改动很小，但是或许很重要的气体组成数据与音速喷嘴的校准有关；
西南研讨院进行的一系列的校准分析数据证明了在一套条件下对超声流量计的校准程序假如应用于其它条件，包括不同的气体，都相同建立。这会答应在便利的区域缔造空气校准设备。但是有必要严厉控制校准点的操作条件符合超声流量计运用点的情况。
在 5.5MPa 的压力规划内对 300mm 用氮气充溢的流量计声速的核算测定效果与核算值只需 0.03% 的过失。这点否定了压力对超声换能器的特征（推迟时间）有很大影响的或许性。

 

7 参看文献
[1] T.A.GRIMLEY and E.B.BOWLES 《工业研讨员评价超声流量计功用》 管线和气体工业 1998 年 12 月。
[2] T.A.GRIMLEY 《管径不匹配和线压改动对超声气体流量计功用的影响》 GRI-02/0031 2002 年 2 月。(end)