1. 引言

超聲技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一個相當(dāng)成熟完備的程度，它已廣泛被各種測試團(tuán)體接受。但是，要想在將來象其它技術(shù)，比如渦輪和孔板流量計(jì)一樣被廣泛使用，超聲流量計(jì)還有技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的具體工作要做，以期在將來占有預(yù)計(jì)的市場份額[1]。

除了眾所周知的天然氣傳輸管道中體積流量計(jì)量外，即將面臨一個大的需要，即在遙遠(yuǎn)、任意的地點(diǎn)，比如生產(chǎn)地、集輸線上測量天然氣的能量含量。

這篇文章描述一個整體的天然氣能量測量的系統(tǒng)。它的基礎(chǔ)是一臺用于財(cái)務(wù)、貿(mào)易結(jié)算的新型超聲流量計(jì)。這種流量計(jì)被設(shè)計(jì)成在傳統(tǒng)的超聲測量點(diǎn)使用，跟在現(xiàn)場使用一樣。真正的現(xiàn)場今天反而不使用超聲流量計(jì)了。整個系統(tǒng)的功能，如在太陽能驅(qū)動下操作，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸，無線通訊技術(shù)，使得它非常適合遠(yuǎn)程地區(qū)。除了超聲流量計(jì)方面眾所周知的優(yōu)點(diǎn)外，該系統(tǒng)在聲速檢查的基礎(chǔ)上提供了一種真實(shí)的自診斷功能，因此它滿足了系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用的特征。它對降低與流量計(jì)維護(hù)修理有關(guān)的人力費(fèi)用非常重要，將會保證測量數(shù)據(jù)有較好的可信度。

2 應(yīng)用超聲流量測量技術(shù)的能量計(jì)量系統(tǒng)

在世界范圍內(nèi)，天然氣是以能量單位買賣的。在天然氣管線中，現(xiàn)在還沒有直接測量能量的獨(dú)立的流量計(jì)。能量計(jì)量系統(tǒng)由測量體積流量的氣體流量計(jì)、帶有自動采樣器的氣體組成分析設(shè)備組成，并普遍使用積算儀。應(yīng)用于能量計(jì)量系統(tǒng)中的氣體流量測定技術(shù)包括從簡單的孔板、渦輪流量計(jì)直到較新的“超聲氣體流量計(jì)”。

這里描述的系統(tǒng)利用了各組成部分均低能源消耗的長處，使得系統(tǒng)可以完全由太陽能充電的電池驅(qū)動。作為選擇，交流和直流電源均可以驅(qū)動系統(tǒng)各組成部分。

2.1 系統(tǒng)描述

要確定天然氣的能量需要描述于圖1中的系統(tǒng)和它的各個組成部分以及其它儀器儀表。各主要部分在下面介紹。

圖1-天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)

測量體積流量的流量計(jì)

這里建議的能量計(jì)量系統(tǒng)使用圖2所示的集成式的，可以長時間連續(xù)工作的超聲流量計(jì)。傳感器技術(shù)中使用小型化的超聲換能器，它具有非常小的壓力、溫度影響的交叉敏感度。這可以使流量計(jì)在一個很寬的溫度范圍和低到大氣壓的很寬的壓力范圍內(nèi)操作。

管路交匯處分布超聲通道，當(dāng)?shù)貧怏w流速信息從聲道獲得。綜合實(shí)際流速分布，就可以確定體積流量。利用這些信息，再把流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸特征考慮進(jìn)來，由隨車攜帶的計(jì)算機(jī)處理。有關(guān)實(shí)際測定的流速、管道速度、聲速和計(jì)算出的體積通過數(shù)字通信界面?zhèn)飨蛳到y(tǒng)流量計(jì)算機(jī)。

集成的超聲氣體流量計(jì)（圖2）由于沒有可動部件因而本質(zhì)上無需維修。包括遠(yuǎn)程診斷在內(nèi)的寬范圍的通信選項(xiàng)減少了總體需要的維修。

圖2-TotalSonic超升流量計(jì)

此外的流量計(jì)信息諸如管速、聲速和診斷信息借助系列通信界面都可以得到。

BTU能量分析儀

BTU分析儀基于氣相色譜原理。設(shè)備自動地從管線中采集氣體樣品并進(jìn)行分析，在貿(mào)易結(jié)算要求的精度內(nèi)確定它的分子組成和熱值。這些相關(guān)的信息被用來計(jì)算氣體密度、超壓縮因子和它的發(fā)熱量。使用這種氣體分析的先進(jìn)設(shè)備，氣體組成的分析數(shù)據(jù)可以在幾分鐘內(nèi)得到。隨車攜帶的控制儀將會存儲分析結(jié)果。日后這些數(shù)據(jù)可以由系統(tǒng)計(jì)算機(jī)調(diào)出來使用。當(dāng)完成一個新的分析后，這些存儲的數(shù)據(jù)可以得到更新，整個過程大約3分鐘。

符合MODBUS協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)系列通信接口（RS232、RS422和RS485）使得流量計(jì)算機(jī)可以非常容易地訪問較新氣體分析數(shù)據(jù)。管理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)使用人-機(jī)對話界面（MMI）。有3個遠(yuǎn)程的和1個當(dāng)?shù)氐耐ㄐ沤涌?。系統(tǒng)支持的通信協(xié)議包括遠(yuǎn)程/當(dāng)?shù)厝藱C(jī)對話界面，到打印機(jī)/控制臺的工程界面，ASCⅡ（HCIA）主機(jī)界面，Modbus、DSFG和PTB打印輸出。

總體的設(shè)計(jì)模式把所需要的平均維修時間從幾周減少到幾小時。使用數(shù)字技術(shù)兩次校準(zhǔn)之間需要的時間已擴(kuò)展到幾個月。

系統(tǒng)流量計(jì)算機(jī)

流量計(jì)算機(jī)是計(jì)量系統(tǒng)的中央處理單元。它訪問從氣體分析儀得到的較新的分析數(shù)據(jù)。從流量計(jì)獲得流速信息，包括壓力和溫度讀數(shù)，使用獲準(zhǔn)的和當(dāng)?shù)赜?jì)量部門認(rèn)可的（比如AGA、PTB、NMI）計(jì)算方法，天然氣中的能量就可以計(jì)算出來。

流量計(jì)算機(jī)的功能包括在用戶選擇的時間間隔內(nèi)獲取和存儲臨界數(shù)據(jù)。所有已存儲的數(shù)據(jù)可以應(yīng)用流量計(jì)算機(jī)的通信選項(xiàng)遠(yuǎn)程訪問?？捎玫耐ㄐ胚x項(xiàng)是借助調(diào)制解調(diào)器、無線電、通信衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)電話線。

可以在固定的或移動的PC機(jī)上運(yùn)行的適應(yīng)性很強(qiáng)的軟件被用來就地或遠(yuǎn)程與流量計(jì)算機(jī)通信、監(jiān)控、獲取數(shù)據(jù)和診斷。

2.2 通信界面和數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)流量計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)氣體分析儀系列通信。TotalflowBtu8000型氣體分析儀和大多數(shù)其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)氣相色譜儀及分析設(shè)備都符合Modbus協(xié)議。流量計(jì)算機(jī)從系統(tǒng)分析儀存儲器中調(diào)取需要的數(shù)據(jù)。如果沒有在線的氣體分析儀，需要的信息可以手工輸入進(jìn)流量計(jì)算機(jī)，并在有了新的數(shù)據(jù)時予以更新。

使用超聲流量計(jì)狀態(tài)參數(shù)時，可以能通過系列通信界面連接到流量計(jì)算機(jī)。TotalSonic和許多在氣體計(jì)量工業(yè)中應(yīng)用的超聲流量計(jì)都符合Modbus協(xié)議。同時提供了到其它形式的氣體流量計(jì)的脈沖和模擬流量計(jì)量界面。

所有數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以用戶自己選擇的時間間隔存儲在流量計(jì)算機(jī)的存儲單元中，確保不會丟失。如圖3中所示，這些信息，包括較新的文件，系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)都可應(yīng)用調(diào)制解調(diào)器、無線電、通信衛(wèi)星等當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)程的通信界面進(jìn)行訪問。

圖3-與共同的網(wǎng)絡(luò)和/或互聯(lián)網(wǎng)通信

2.3系統(tǒng)安全檢查

為了保證系統(tǒng)正確的操作和得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的每一組成部分都需要符合設(shè)定的規(guī)范。因此，每一測量設(shè)備都進(jìn)行許多操作和狀態(tài)檢查。如果系統(tǒng)出了問題或需要維修，每一組成部分都與系統(tǒng)中央單元通信，這樣就有可能管理和/或監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的每一組成部分可以與當(dāng)?shù)睾?或遠(yuǎn)程診斷軟件溝通決定系統(tǒng)狀態(tài)和分析問題。

控制系統(tǒng)性能的一個簡單和有效的方法是通過從TotalSonic超聲流量計(jì)得到的聲速信息和根據(jù)氣體分析儀氣體組成分析數(shù)據(jù)計(jì)算得到的天然氣中的聲速。為了實(shí)施計(jì)算功能，可以使用一種商業(yè)上可行的軟件包，或經(jīng)過許可的并已編程的AGANO10[2]號報(bào)告中描述的方法。這些計(jì)算和比較可以按預(yù)定的時間間隔或連續(xù)地實(shí)施，并且用戶設(shè)置偏差和極限來觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)來表明系統(tǒng)性能出現(xiàn)了問題。

3 TotalSonic超聲流量計(jì)的描述

3.1 操作原理

TotalSonic流量計(jì)應(yīng)用著名的傳播時間測量的原理。在表體內(nèi)安裝超聲傳感器，由它來確定通過通道，與氣體流動方向成60°角度。

圖4-傳播時間測量的原理

為了在不同的安裝條件下得到很高的準(zhǔn)確度，開始使用多聲道測量，并且體積流量通過各聲道流速的加權(quán)求和得到。

3.2聲道斷面圖

聲道在斷面上的布置結(jié)構(gòu)對流量計(jì)的性能有很重要的影響。已經(jīng)有很多不同聲道斷面的文章發(fā)表，典型的為3-6個聲道，其中應(yīng)用了直接傳播和反彈聲道技術(shù)。

對于TotalSonic流量計(jì)（圖5），選擇使用了4聲道斷面布置。這一點(diǎn)與Whyler[3]建議的非常相似。

圖5-TotalSonic流量計(jì)聲道斷面圖

有幾個原因支持使用非反彈多聲道斷面布置的想法：

• SICK公司（見后面）發(fā)展起來的高精度測量時間的換能器技術(shù)不需要擴(kuò)展聲道長度。這種測量在總不確定度的貢獻(xiàn)小于10%--在大口徑時就更??；

• 不采用彈性聲道的技術(shù)消除了管內(nèi)的反射點(diǎn)。這一點(diǎn)可以改變它的一些特征，比如因雜質(zhì)或管壁粗糙程度而產(chǎn)生了附加不確定度的特征。表體的機(jī)械加工被簡化了，因而降低了生產(chǎn)成本；

• 反射的避免節(jié)約了聲能。這使得可以減小電源輸入，允許在所有的操作條件下包括大氣壓、氣體低密度（H2）或高聲能衰減（CO2）等運(yùn)行更大口徑的流量計(jì)；

• 這種特殊的聲道斷面布置結(jié)構(gòu)可以很好地補(bǔ)償（但不測量）由于旋渦流引起的測量偏差。這一點(diǎn)通過高壓、常壓下大量試驗(yàn)已得到證實(shí)；

• 采用4聲道，并且具有補(bǔ)償旋渦流功能的聲道布置結(jié)構(gòu)的流量計(jì)，比采用6聲道，但可以獨(dú)立測量旋渦流補(bǔ)償?shù)牧髁坑?jì)節(jié)省了成本。這一點(diǎn)使得超聲技術(shù)的成本比較接近于機(jī)械技術(shù)。

3.3 換能器技術(shù)

眾所周知，換能器是超聲流量計(jì)的核心和起決定性作用的部件。大多數(shù)現(xiàn)在應(yīng)用的換能器采用所謂聲學(xué)匹配層來與氣體阻抗和固體表體匹配。

SICK/ABB的換能器技術(shù)基于全金屬設(shè)計(jì)，不使用任何匹配層（圖6）。這種阻抗的匹配通過完全用鈦制造的聲能變壓器的特別設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)工藝基于兩個要點(diǎn)：

1.20年的換能器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)用于控制發(fā)射的高熱可燃性氣體流量計(jì)量系統(tǒng)中；

2.強(qiáng)大的理論支持--所有的換能器使用FEM方法和電機(jī)轉(zhuǎn)換技術(shù)，從理論上建立了模型。

圖6-換能器

特別的換能器設(shè)計(jì)促進(jìn)了以下方面的進(jìn)展：

• 換能器小型化使得前面描述的聲道斷面布置結(jié)構(gòu)適用于小口徑（3″和4″），這樣流量計(jì)可以造的很緊湊；
• 傳播時間的高精度測量使得60°安裝成為可能--這使得換能器端口或換能器突入流體的部件造成的紊亂得以減??；
• 金屬聲能變壓器具有高效性--使得流量計(jì)可以在常壓和高到100bar的高壓下用同一種類型的換能器操作；
• 理論模型允許對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行有效的控制。這使得壓力和溫度不依賴于換能器性能，不需要進(jìn)行補(bǔ)償；
• 不使用匹配層和溫度敏感膠的作法允許系統(tǒng)在高達(dá)200℃的溫度下操作；
• 換能器機(jī)械制造的高再現(xiàn)性保障了傳播時間測量的高再現(xiàn)性。這是換能器在不改變流量計(jì)基線的情況下變換的前提；
• 很高的信號強(qiáng)度和寬波使得可以在非常高的氣體速度下測量（可以允許40-80m/sec，決定于流量計(jì)管徑大?。?；
• 使用高頻率防止電子管等安裝設(shè)備的噪聲妨礙。

有好幾種工具可用來設(shè)計(jì)換能器和檢查結(jié)果。作為一個例子在參考文獻(xiàn)[4]中介紹了干涉測量法。

3.4 聲速測量

測定的聲速正比于傳播時間差。兩個傳播時間倒數(shù)求和可以得到聲速。

聲速是系統(tǒng)自診斷的非常有效的手段。由于聲速依賴于溫度和壓力（成分非常?。?，所以這些值必須要知道。再加上在能量計(jì)量系統(tǒng)中已獲取的氣體組成數(shù)據(jù)，使用已知的模型（AGANO10號報(bào)告/SDNICWare[5]）就可以計(jì)算出聲速。對比測量得到的聲速和計(jì)算得到的聲速數(shù)值，就可以明顯看出測量系統(tǒng)的安全性和準(zhǔn)確度，包括TotalSonic流量計(jì)。如果差異超出一個限定值，比如0.3%就會報(bào)警。誤差和不確定度來源不容易查找到，但是系統(tǒng)可以很確定地表明狀態(tài)完好。

另一種獨(dú)立的自診斷功能可以產(chǎn)生于流量計(jì)，不需要使用氣體組成的數(shù)據(jù)。基于管道內(nèi)沒有溫度分配的假設(shè)，所有聲道的聲速會被限于一個誤差限內(nèi)，比如0.1%。

3.5 流量計(jì)結(jié)構(gòu)

流量計(jì)的結(jié)構(gòu)要使得超聲技術(shù)應(yīng)用的比現(xiàn)在更普遍，這是超聲流量計(jì)（專利沒有限定結(jié)構(gòu)）總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。這些想法包括：

• 使用要簡單化，包括校準(zhǔn)；
• 跟其它測量技術(shù)（比如渦輪流量計(jì)）有相同的應(yīng)用基礎(chǔ)和接口連接；
• 不同外徑結(jié)構(gòu)，沒有外在換能器纜線；
• 在不降低準(zhǔn)確度的前提下，生產(chǎn)技術(shù)使得成本降低。

流量計(jì)表體使用鋼鑄件制成，這會降低生產(chǎn)和測試費(fèi)用。精確加工保證很高的再現(xiàn)性。通常與焊接有關(guān)的收縮、扭曲變形、不圓整被完全避免了。流量計(jì)表體整體化組裝，把所有的換能器和纜線放入封套內(nèi)。

圖7-去掉外殼的4個換能器和纜線側(cè)視圖

這對保護(hù)換能器免受環(huán)境影響非常重要，并且它保護(hù)纜線免受運(yùn)輸、安裝和維修中造成的破壞。

對所有4″管徑，流量計(jì)表體的底座長度為3D（D為管道內(nèi)徑，下同）。這一點(diǎn)與其它的流量計(jì)比如渦輪流量計(jì)是一致的。因而流量計(jì)可以在相同的安裝位置使用，甚至取代原先安裝在那里的渦輪流量計(jì)等測量設(shè)備。

操作4聲道流量計(jì)所需要的所有電子元件，用于信號計(jì)算和流量計(jì)通信，都安裝在頂部的小盒子里。這種界面用于在一側(cè)與流量計(jì)兼容（雙脈沖輸出），在另一側(cè)與前面敘述的先進(jìn)系統(tǒng)兼容（與前面描述的系統(tǒng)Modbus界面連接）。

流量計(jì)提供以下數(shù)據(jù)：

• 2個獨(dú)立的雙向體積計(jì)數(shù)器，2個誤差體積計(jì)數(shù)器；
• 實(shí)際條件下的體積流量；
• 管道速度、聲速；
• 狀態(tài)參數(shù)（只針對連續(xù)運(yùn)行）。

所有的電器都是低電源設(shè)計(jì)，允許太陽能供電，包括太陽能面板適配的控制電路。

流量計(jì)的生產(chǎn)資質(zhì)符合ATEX和CSA要求，并遵守歐洲PED（壓力設(shè)備指導(dǎo)）和U.S.DOT102條例。歐洲許多國家的型式批準(zhǔn)在關(guān)聯(lián)交易中可以使用，并且在北美的西南研究院（SwRI）作了檢定測試。

3.6校準(zhǔn)

今天，許多流量計(jì)在對外銷售時附帶大氣壓下的校準(zhǔn)證書。在商業(yè)應(yīng)用場合，常常需要價格昂貴的高壓校準(zhǔn)--有時包括完全的流量計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)。

TotalSonic流量計(jì)提供了在大氣壓條件下校準(zhǔn)的可能性（如果用戶接受的話）作為那個時刻的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。在操作壓力下對基線進(jìn)行雷諾數(shù)校正，數(shù)據(jù)可以用計(jì)算機(jī)計(jì)算出來，并且存儲在系統(tǒng)文件中。這造成了費(fèi)用上的真正節(jié)省。

AGANO9號報(bào)告中[6]描述的程序不是真正的校準(zhǔn)，只是把影響流量計(jì)準(zhǔn)確度的各參數(shù)調(diào)整到它們的實(shí)際值。

對前面描述的與流量計(jì)性能有關(guān)的系統(tǒng)中各個組成部分，應(yīng)用較新的較為成熟的生產(chǎn)技術(shù)，在不久的將來，將會產(chǎn)生真正的“干?！奔夹g(shù)。如果我們對系統(tǒng)各個組成部分都能成功地復(fù)現(xiàn)基本流量計(jì)的參數(shù)--比如測定傳播時間的換能器和電子電路，再比如決定幾何結(jié)構(gòu)尺寸的部件象換能器和線軸元件。與基本流量計(jì)相比，在特定的安裝條件下，二次表會有相同的性能。這意味著系統(tǒng)組成元件生產(chǎn)的復(fù)現(xiàn)性和系統(tǒng)組裝的復(fù)現(xiàn)性會決定系統(tǒng)性能的再現(xiàn)性和可預(yù)知的準(zhǔn)確度。此外，還可以節(jié)省校準(zhǔn)費(fèi)用。

很顯然，這種方案還有一些缺陷。當(dāng)然從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度來看，制造的“零”偏差是不切實(shí)際的。因此，必須有足夠的允許誤差。由于測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分散，必須有統(tǒng)計(jì)學(xué)上要求的足夠數(shù)量的測試次數(shù)。由于到目前為止這種流量計(jì)生產(chǎn)的數(shù)量只有很少的幾百臺--要想有長足的進(jìn)步，就必須有更大數(shù)量的流量計(jì)用很好的實(shí)測數(shù)據(jù)來支持假設(shè)和理論計(jì)算。

4 測試結(jié)果

在過去生產(chǎn)了幾臺流量計(jì)（口徑從4″到16″）來證明流量計(jì)性能穩(wěn)定和制造工藝成熟。除了4″的，所有的流量計(jì)都有4個聲道。4″的流量計(jì)用了3個聲道。大多數(shù)這些流量計(jì)在常壓和高壓測試設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用了不同的壓力、溫度和測試氣體（空氣、天然氣）。由于這些新型的流量計(jì)也可以在常壓條件下測量，直到口徑大到10″的這些流量計(jì)至少在SICK公司自己的常壓測試設(shè)備上進(jìn)行過測試。在2000年3月份到2002年6月份，在Groningen和SanAntonio對最初的原型和后來的預(yù)生產(chǎn)裝置進(jìn)行了測試。

在那個時期內(nèi)，流量計(jì)的性能和一系列的安裝效果對測試地點(diǎn)發(fā)生作用。此外，流量計(jì)對電子管噪聲的敏感性和過范圍性能（在4″管道上大到83m/s）也得到測試。對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析顯示出了對雷諾數(shù)的依賴性?，F(xiàn)在軟件中可以實(shí)現(xiàn)對這種影響的校正。

這里提出的數(shù)據(jù)是這些測試的舉例，它顯示了有關(guān)流量計(jì)性能的一些有意義的方面。最初測試的時候沒有進(jìn)行雷諾數(shù)校正，后來對未修正的數(shù)據(jù)進(jìn)行了再加工。為了證明對流量計(jì)緊固件的正確校正，2002年6月的最后一個測試系列中，進(jìn)行了雷諾數(shù)的校正。這個測試系列覆蓋了特別低的流量點(diǎn)。結(jié)果表明，這種校正提高了低流量測試的性能，流量計(jì)正常工作（見低流量校準(zhǔn)）。

在SanAntonioGRI測試設(shè)備的低壓回路中分別用口徑分別為4″、6″、8″的流量計(jì)進(jìn)行測試。低壓回路可以提供長的，不受擾動的入口管線（大到100D），也可以提供典型的紊流狀態(tài)（見圖8）。每種口徑中抽出一臺流量計(jì)又一次地在Groningen“GasUnitResearch”測試設(shè)備上進(jìn)行了測試。

圖8-西南研究院的測試裝置圖9-被測試流量計(jì)（3臺4″，3臺6″）

這些測試的重點(diǎn)是：

• 測量準(zhǔn)確度的確定；
• 檢查逆流性能；
• 流量計(jì)對操作條件的反應(yīng)；
• 流量計(jì)對擾動流的反應(yīng)。
• “干?！辈淮_定度的研究。

為了檢查有關(guān)壓力、溫度和氣體組成的流量計(jì)穩(wěn)定性，進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

4.1 “干?！苯Y(jié)果

為了檢查“干校”的準(zhǔn)確度，每一臺流量計(jì)都安裝在一個接近“理想”的流動狀態(tài)。這意味著在測試裝置上流量計(jì)上游安裝盡可能長的直管段。流體可以被理解成幾乎完全發(fā)展的速度剖面。9臺被測試的流量計(jì)性能都非常好（圖10）。每一個提出的數(shù)據(jù)點(diǎn)是6次重復(fù)的平均值，每次測試的時間均在100s以上?；芈酚锰烊粴鉁y試，壓力穩(wěn)定在13bar，溫度穩(wěn)定在20℃。對小口徑流量計(jì)，流量計(jì)誤差常常落在AGANO9[6]號報(bào)告中提出的誤差極限±1%以內(nèi)。在測試流量范圍內(nèi)的流量加權(quán)平均誤差（FWME）計(jì)算出來，并給出每臺流量計(jì)的校正因子。因此，下一部分的測試結(jié)果常常顯示流量計(jì)對理想基線校準(zhǔn)的偏差。

表1.使用的校正因子一覽表

表1顯示出計(jì)算的校正因子。在95%置信水平下它們的平均值和計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖10-所有流量計(jì)校正過的性能

由于時間和費(fèi)用的限制，每種口徑選用一臺流量計(jì)進(jìn)行了其它測試。

4.2逆流

盡管流量計(jì)設(shè)計(jì)具有對稱性，測試顯示出順流和逆流的不同的校正因子。隨著流量計(jì)口徑的變大，這種影響會變小。

表2.測試流量計(jì)逆流校正因子

這些測試結(jié)果也落在AGANO9[6]號報(bào)告中提出的誤差限內(nèi)。順流和逆流時的校正因子按同一順序表示出來（見圖11）。

圖11-4″流量計(jì)順流和逆流時經(jīng)調(diào)整的性能

4.3流量條件的影響

受已發(fā)表的關(guān)于其它超聲流量計(jì)聲道布置下測試結(jié)果的影響，分析了流量計(jì)對流量條件的反應(yīng)。測試采用19管束設(shè)計(jì)的流量調(diào)整器（圖12）和CPA盤（圖13）。CPA盤作為鑿孔盤設(shè)計(jì)的例子。

圖12-4″管徑19管束整流器 圖13-4″管徑ANSICL150CPA50E盤

再一次地使用“理想”流量管徑分布：在上游5D處安裝了19管束整流器，8D處安裝了CPA50E盤（廠家推薦）。

對流量計(jì)性能的影響小于±0.2%，因而可以忽略（圖14）。

圖14-4″管徑上流量計(jì)對整流器的反應(yīng)

4.4擾動流的情況

通常在實(shí)際安裝中“理想”流動情況是不可能的。流量計(jì)常常在限定的空間內(nèi)操作，包括限制的上游直管段長度、閥門和彎頭。選擇用于試驗(yàn)的擾動流布置包括不在一個平面上的兩個彎頭，并距流量計(jì)有13D長度的距離（圖15），13D被兩個彎頭分為8D和5D兩段。因此，有可能在擾動部件和流量計(jì)之間安裝整流器。

圖15-測試用6″流量計(jì)，安裝在非同一平面的兩個彎頭后13D處

結(jié)果表明，4聲道斷面布置對這些典型的實(shí)際流量擾動不敏感，不需要安裝整流器。

圖16-6″管徑流量計(jì)，擾動流情況

4.5低流量測試

正如在前面提到的，需要在低流量提高系統(tǒng)誤差曲線，就要把雷諾數(shù)考慮進(jìn)去（見圖17）。因此又進(jìn)行了試驗(yàn)證明校正的必要性。圖18顯示了流量計(jì)流速低到0.3m/s時的良好性能。應(yīng)該指出的是，在測試過程中，由于環(huán)境溫度在（30-40）℃范圍內(nèi)變化，要穩(wěn)定測試氣體溫度就很困難。在非常小的流速時，結(jié)果有百分之幾的離散，更長的平均時間和雙倍數(shù)據(jù)點(diǎn)，被用來計(jì)算平均值。

圖17-6″管徑流量計(jì)低流量性能

5 現(xiàn)場安裝

在流量計(jì)的整個發(fā)展過程中，安裝在德國Kirchheilingen地下儲存設(shè)備“VerbundnetzGasAG”上的流量計(jì)（圖18）被用來總結(jié)現(xiàn)場安裝影響的更多的經(jīng)驗(yàn)。這種應(yīng)用提供了一個流量和壓力的系列情況。在變化的壓力（介于20到52bar）下，試驗(yàn)一個很大的流量范圍度，而且也在沒有氣體流過時試驗(yàn)。比較早的原型流量計(jì)安裝于2000年春天，這臺8″口徑，3聲道流量計(jì)穩(wěn)定工作兩年多時間。

圖18-安裝于Kirchheilingen的流量計(jì)

從2001年8月開始，安裝了一臺6″和一臺8″流量計(jì)并投入使用（圖19）。兩臺流量計(jì)都用Elster渦輪流量計(jì)做參考?，F(xiàn)在，這個流量計(jì)系統(tǒng)中安裝了一臺ABB流量計(jì)算機(jī)。所有的流量計(jì)對計(jì)算機(jī)脈沖輸出，此外，超聲流量計(jì)通過RS485MODBUS界面與流量計(jì)算機(jī)通信。流量計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，并對三臺流量計(jì)求平均值。每過100s每臺流量計(jì)的流量數(shù)據(jù)就存儲一次。同時，每臺超聲流量計(jì)對渦輪流量計(jì)的偏差也計(jì)算出來并存儲。超聲流量計(jì)通過MODBUS界面提供流速、聲速等診斷信息，獲得每一聲道的信噪比，通過與流量計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通信（設(shè)計(jì)了無線通信裝置），就可以很容易地對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程安全檢查。

圖19-系統(tǒng)布置

在最后一個月里，進(jìn)行了幾次“重復(fù)性”測試。流量在可能的最小值和最大值之間變化。如圖20和圖21中所示，一臺8″和一臺6″流量計(jì)的長期重復(fù)性常常高于±0.4%。階段性用眼睛檢查換能器可以看出隔膜臟污情況。普通的高碳數(shù)烴類蠟造成污染。從上游來的非常小的碳粒子相當(dāng)于在管路中安裝了過濾器。同時發(fā)現(xiàn)在用激光多普勒風(fēng)速計(jì)測定流速分布時的示蹤粒子也在隔膜上造成臟污。很明顯，雜質(zhì)對換能器的性能沒有影響。

圖20-Kirchheilingen安裝的6″流量計(jì)

圖21-Kirchheilingen安裝的8″流量計(jì)

6 總結(jié)

新的能量計(jì)量系統(tǒng)基于眾所周知的超聲技術(shù)，但作了許多創(chuàng)新。文章不僅描述了現(xiàn)場應(yīng)用的組合式流量計(jì)，而且介紹了包括太陽能能源和無線通信在內(nèi)的整體計(jì)量系統(tǒng)。這使得可以遠(yuǎn)程利用它。

我們相信這個系統(tǒng)將會進(jìn)一步促進(jìn)超聲流量技術(shù)的發(fā)展。

7參考文獻(xiàn)
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[4] Lothar Zipser; INTERFEROMETRISCHE VISUALISIERUNG VON SCHALLWELLEN UND TURBULENZEN; Zentrum für Angewandte Forschung und Technologie an der HTW Dresden ; Dresden 2001
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[8] Nath, B.; L?tz-Dauer, V.; Wetzel, V.; Hilgenstock, A.; Kolpatzik, S.; MEASURING RESPONSE OF ULTRASONIC GAS METERS IN DEPENDENCE OF GAS TYPES;Int. Gas Research Conference IGRC, 8.-11.11.98, TSP-02, San Diego , USA ,1998

測量氣體的氣體流量計(jì)

　　測量氣體的流量計(jì)有很多種，根據(jù)現(xiàn)場的工況條件要選擇對應(yīng)和適合的流量計(jì)才是較佳。測量氣體的流量計(jì)有渦街流量計(jì)、V錐流量計(jì)、金屬浮子流量計(jì)、孔板流量計(jì)等。下面逐一介紹各種常用的氣體流量計(jì)?！　〔还苣姆N氣體流量計(jì)，選型前都必須提供詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)：管道內(nèi)徑、介質(zhì)（混合氣體需要提供介質(zhì)成分比）、溫度、壓力、流量范圍、供電要求、顯示配置、信號輸出、管道材質(zhì)以及一些現(xiàn)場需要條件。這個是正確選型的重要條件，直接影響到流量計(jì)能否在現(xiàn)場正常使用以及是否合理的滿足現(xiàn)場測量需求。下面介紹下常用的幾種氣體流量計(jì)。　　第一種是渦街流量計(jì)：　　主要用來測量常用的單一氣體（如：空氣，氧氣、氮?dú)狻⒍趸細(xì)怏w等），要求介質(zhì)無雜質(zhì)，精度1.5級，性價比zui高，安裝方式有卡裝、法蘭、螺紋、卡箍和插入式等?！　?i>第二種是V錐流量計(jì)以及孔板流量計(jì)：　　這兩種都屬于差壓式流量計(jì)，V錐流量計(jì)是孔板流量計(jì)的替代品，多用于測量高溫高壓介質(zhì)、粉塵氣體、多相氣體使用，精度0.5級，需要配套差壓變送器、流量積算儀使用?！　?shí)際應(yīng)用中，測量氣體，選擇哪種流量計(jì)性價比高，比較適合現(xiàn)場工況，歡迎來電來函咨詢，我們將以我們15年的流量計(jì)經(jīng)驗(yàn)為您提供專業(yè)的流量計(jì)服務(wù)?！　?i>第三種是金屬浮子流量計(jì)：　　可以用來測量低流量的氣體，純機(jī)械式，同樣要求氣體潔凈無雜質(zhì)，對于安裝方式有要求：有垂直安裝下進(jìn)上出以及水平安裝左進(jìn)右出或右進(jìn)左出，螺紋連接或法蘭連接或卡箍連接都可以。

標(biāo)簽: 氣體流量計(jì)

氣體流量計(jì) 測量氣體的氣體流量計(jì)_氣體流量計(jì)

　　工作原理
 

　　在封閉的圓筒形外殼內(nèi)裝有一由葉片圍成的圓筒形轉(zhuǎn)筒，并能繞中心軸自由旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)筒內(nèi)被葉片分成三到四個氣室(如上圖所示為四個氣室)，每個氣室的內(nèi)側(cè)壁與外側(cè)壁都有直縫開口(內(nèi)側(cè)壁開口為計(jì)量室進(jìn)氣口，外側(cè)壁開口為計(jì)量室出氣口)。流量計(jì)殼體內(nèi)盛有約一半容積的水或低粘度油作為密封液體，轉(zhuǎn)筒的一半浸于密封液中。隨著氣體進(jìn)人流量計(jì)，進(jìn)人轉(zhuǎn)筒內(nèi)的一個氣室A，此時，A氣室的進(jìn)氣口露出液面，進(jìn)氣口與流量計(jì)進(jìn)口相通而開始充氣;B氣室已充滿氣體，其進(jìn)出口都被液面密封，形成封閉的“斗”空間，即計(jì)量室;C氣室的出氣口已露出液面，開始向流量計(jì)出口排氣。隨著氣體的不斷充人氣室A，在進(jìn)氣壓力的推動下，轉(zhuǎn)筒朝如圖逆時針方向繞中心軸旋轉(zhuǎn)。氣室A中的充氣量逐漸增大，氣室B的出氣口也將離開液面而開始向流量計(jì)出口排氣，氣室C中的氣體將全部排出。當(dāng)氣室C全部浸人液體中時，氣室D將開始充氣，氣室A將形成封閉的計(jì)量室。然后依次是氣室D、氣室C形成封閉的計(jì)量室。轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周，就有相當(dāng)于4倍計(jì)量室空間的氣體體積通過流量計(jì)。所以，只要將轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)次數(shù)通過齒輪機(jī)構(gòu)傳遞到計(jì)數(shù)指示機(jī)構(gòu)，就可顯示通過流量計(jì)的氣體體積流量(總量)。
 

　　由于濕式氣體流量計(jì)的特殊的密封形式，它是一種無泄漏的容積式流量計(jì)。其誤差特性與其他容積式流量計(jì)有明顯的差別。測量精度可達(dá)0.2-0.5級。
 

　　濕式氣體流量計(jì)的轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)速度不宜過快，所以，它只適合于小流量的氣體流量測量。而且，被計(jì)量的氣體不能溶于流量計(jì)內(nèi)部密封液體或與密封液體發(fā)生反應(yīng)。
 

　　使用方法
 

　　1、將濕式氣體流量擺放在工作臺上，調(diào)整地角螺釘使水準(zhǔn)器水泡位于中心，并在使用中要長期保持。
 

　　2、打開水位控制器密封螺帽，拉出內(nèi)部的毛線繩。
 

　　3、在溫度計(jì)或壓力計(jì)的插孔內(nèi)，向儀表內(nèi)注入蒸餾水，待蒸餾水從水位控制器孔內(nèi)流出時即停止注入 蒸餾水，當(dāng)多余的蒸餾水從水位控制器孔內(nèi)順著毛線繩流干凈(很久流出一滴時即為流干凈)時，在將毛線繩收入水位控制器密封螺帽內(nèi)，并且擰緊密封螺帽。 4、裝好溫度計(jì)和壓力計(jì)。(每一小格10Pa) 按進(jìn)出氣方向連接好氣路，并且密封。
 

　　5、開啟氣閥，即可進(jìn)行氣體測量。
 

　　注意事項(xiàng)
 

　　1、使用過程中，要經(jīng)常注意儀表內(nèi)水位保持，否則將影響測量精度。
 

　　2、使用中，溫度應(yīng)保持在15~25℃之間，氣溫與室溫相同，其溫差應(yīng)≤2℃。
 

　　3、在儀表指針運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)周后在進(jìn)行讀數(shù)。
 

　　4、當(dāng)被測氣體的壓力超過正常壓力值1~6倍(1~6Kpa)時，儀器仍然可以進(jìn)行工作，此時應(yīng)將壓力計(jì)取下，用無孔橡皮塞堵住壓力計(jì)安裝孔。當(dāng)被測氣體的流量超過額定流量至超額流量范圍內(nèi)使用時，儀器仍然可以進(jìn)行工作，但此時測量的精度會有所降低。
 

　　5、濕式氣體流量在長期不使用時，應(yīng)將儀表內(nèi)的蒸餾水放干凈，排放時先使用放水閥，然后將表頭向下，再將出氣管向下，這樣反復(fù)幾次，才能將鼓輪內(nèi)的水放凈。
 

　　6、濕式氣體流量不宜置于過冷室內(nèi)安裝，以免內(nèi)部結(jié)冰。
 

　　7、在正常使用情況下，至少每年檢驗(yàn)一次精度。
 

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