1. 引言

超聲技術已經達到了一個相當成熟完備的程度，它已廣泛被各種測試團體接受。但是，要想在將來象其它技術，比如渦輪和孔板流量計一樣被廣泛使用，超聲流量計還有技術上和經濟上的具體工作要做，以期在將來占有預計的市場份額[1]。

除了眾所周知的天然氣傳輸管道中體積流量計量外，即將面臨一個大的需要，即在遙遠、任意的地點，比如生產地、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。它的基礎是一臺用于財務、貿易結算的新型超聲流量計。這種流量計被設計成在傳統的超聲測量點使用，跟在現場使用一樣。真正的現場今天反而不使用超聲流量計了。整個系統的功能，如在太陽能驅動下操作，強大的數據傳輸，無線通訊技術，使得它非常適合遠程地區。除了超聲流量計方面眾所周知的優點外，該系統在聲速檢查的基礎上提供了一種真實的自診斷功能，因此它滿足了系統在偏遠地區使用的特征。它對降低與流量計維護修理有關的人力費用非常重要，將會保證測量數據有較好的可信度。

2 應用超聲流量測量技術的能量計量系統

在世界范圍內，天然氣是以能量單位買賣的。在天然氣管線中，現在還沒有直接測量能量的獨立的流量計。能量計量系統由測量體積流量的氣體流量計、帶有自動采樣器的氣體組成分析設備組成，并普遍使用積算儀。應用于能量計量系統中的氣體流量測定技術包括從簡單的孔板、渦輪流量計直到最新的“超聲氣體流量計”。

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

2.1 系統描述

要確定天然氣的能量需要描述于圖1中的系統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-天然氣能量計量系統

測量體積流量的流量計

這里建議的能量計量系統使用圖2所示的集成式的，可以長時間連續工作的超聲流量計。傳感器技術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操作。

管路交匯處分布超聲通道，當地氣體流速信息從聲道獲得。綜合實際流速分布，就可以確定體積流量。利用這些信息，再把流量計的結構尺寸特征考慮進來，由隨車攜帶的計算機處理。有關實際測定的流速、管道速度、聲速和計算出的體積通過數字通信界面傳向系統流量計算機。

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

圖2-TotalSonic超升流量計

此外的流量計信息諸如管速、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。設備自動地從管線中采集氣體樣品并進行分析，在貿易結算要求的精度內確定它的分子組成和熱值。這些相關的信息被用來計算氣體密度、超壓縮因子和它的發熱量。使用這種氣體分析的先進設備，氣體組成的分析數據可以在幾分鐘內得到。隨車攜帶的控制儀將會存儲分析結果。日后這些數據可以由系統計算機調出來使用。當完成一個新的分析后，這些存儲的數據可以得到更新，整個過程大約3分鐘。

符合MODBUS協議的標準系列通信接口（RS232、RS422和RS485）使得流量計算機可以非常容易地訪問最新氣體分析數據。管理系統和計算機使用人-機對話界面（MMI）。有3個遠程的和1個當地的通信接口。系統支持的通信協議包括遠程/當地人機對話界面，到打印機/控制臺的工程界面，ASCⅡ（HCIA）主機界面，Modbus、DSFG和PTB打印輸出。

總體的設計模式把所需要的平均維修時間從幾周減少到幾小時。使用數字技術兩次校準之間需要的時間已擴展到幾個月。

系統流量計算機

流量計算機是計量系統的中央處理單元。它訪問從氣體分析儀得到的最新的分析數據。從流量計獲得流速信息，包括壓力和溫度讀數，使用獲準的和當地計量部門認可的（比如AGA、PTB、NMI）計算方法，天然氣中的能量就可以計算出來。

流量計算機的功能包括在用戶選擇的時間間隔內獲取和存儲臨界數據。所有已存儲的數據可以應用流量計算機的通信選項遠程訪問。可用的通信選項是借助調制解調器、無線電、通信衛星的標準電話線。

可以在固定的或移動的PC機上運行的適應性很強的軟件被用來就地或遠程與流量計算機通信、監控、獲取數據和診斷。

2.2 通信界面和數據傳輸

系統流量計算機與系統氣體分析儀系列通信。TotalflowBtu8000型氣體分析儀和大多數其它工業標準氣相色譜儀及分析設備都符合Modbus協議。流量計算機從系統分析儀存儲器中調取需要的數據。如果沒有在線的氣體分析儀，需要的信息可以手工輸入進流量計算機，并在有了新的數據時予以更新。

使用超聲流量計狀態參數時，最好能通過系列通信界面連接到流量計算機。TotalSonic和許多在氣體計量工業中應用的超聲流量計都符合Modbus協議。同時提供了到其它形式的氣體流量計的脈沖和模擬流量計量界面。

所有數據處理的結果以用戶自己選擇的時間間隔存儲在流量計算機的存儲單元中，確保不會丟失。如圖3中所示，這些信息，包括最新的文件，系統控制數據都可應用調制解調器、無線電、通信衛星等當地或遠程的通信界面進行訪問。

圖3-與共同的網絡和/或互聯網通信

2.3系統安全檢查

為了保證系統正確的操作和得到高質量的數據，系統的每一組成部分都需要符合設定的規范。因此，每一測量設備都進行許多操作和狀態檢查。如果系統出了問題或需要維修，每一組成部分都與系統中央單元通信，這樣就有可能管理和/或監控系統。系統的每一組成部分可以與當地和/或遠程診斷軟件溝通決定系統狀態和分析問題。

控制系統性能的一個簡單和有效的方法是通過從TotalSonic超聲流量計得到的聲速信息和根據氣體分析儀氣體組成分析數據計算得到的天然氣中的聲速。為了實施計算功能，可以使用一種商業上可行的軟件包，或經過許可的并已編程的AGANO10[2]號報告中描述的方法。這些計算和比較可以按預定的時間間隔或連續地實施，并且用戶設置偏差和極限來觸發報警系統來表明系統性能出現了問題。

3 TotalSonic超聲流量計的描述

3.1 操作原理

TotalSonic流量計應用著名的傳播時間測量的原理。在表體內安裝超聲傳感器，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求和得到。

3.2聲道斷面圖

聲道在斷面上的布置結構對流量計的性能有很重要的影響。已經有很多不同聲道斷面的文章發表，典型的為3-6個聲道，其中應用了直接傳播和反彈聲道技術。

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

圖5-TotalSonic流量計聲道斷面圖

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）發展起來的高精度測量時間的換能器技術不需要擴展聲道長度。這種測量在總不確定度的貢獻小于10%--在大口徑時就更小；

? 不采用彈性聲道的技術消除了管內的反射點。這一點可以改變它的一些特征，比如因雜質或管壁粗糙程度而產生了附加不確定度的特征。表體的機械加工被簡化了，因而降低了生產成本；

? 反射的避免節約了聲能。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）等運行更大口徑的流量計；

? 這種特殊的聲道斷面布置結構可以很好地補償（但不測量）由于旋渦流引起的測量偏差。這一點通過高壓、常壓下大量試驗已得到證實；

? 采用4聲道，并且具有補償旋渦流功能的聲道布置結構的流量計，比采用6聲道，但可以獨立測量旋渦流補償的流量計節省了成本。這一點使得超聲技術的成本比較接近于機械技術。

3.3 換能器技術

眾所周知，換能器是超聲流量計的核心和起決定性作用的部件。大多數現在應用的換能器采用所謂聲學匹配層來與氣體阻抗和固體表體匹配。

SICK/ABB的換能器技術基于全金屬設計，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計來實現。設計工藝基于兩個要點：

1.20年的換能器設計經驗用于控制發射的高熱可燃性氣體流量計量系統中；

2.強大的理論支持--所有的換能器使用FEM方法和電機轉換技術，從理論上建立了模型。

圖6-換能器

特別的換能器設計促進了以下方面的進展：

? 換能器小型化使得前面描述的聲道斷面布置結構適用于小口徑（3″和4″），這樣流量計可以造的很緊湊；
? 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小；
? 金屬聲能變壓器具有高效性--使得流量計可以在常壓和高到100bar的高壓下用同一種類型的換能器操作；
? 理論模型允許對設計參數進行有效的控制。這使得壓力和溫度不依賴于換能器性能，不需要進行補償；
? 不使用匹配層和溫度敏感膠的作法允許系統在高達200℃的溫度下操作；
? 換能器機械制造的高再現性保障了傳播時間測量的高再現性。這是換能器在不改變流量計基線的情況下變換的前提；
? 很高的信號強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，決定于流量計管徑大小）；
? 使用高頻率防止電子管等安裝設備的噪聲妨礙。

有好幾種工具可用來設計換能器和檢查結果。作為一個例子在參考文獻[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。兩個傳播時間倒數求和可以得到聲速。

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

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

3.5 流量計結構

流量計的結構要使得超聲技術應用的比現在更普遍，這是超聲流量計（專利沒有限定結構）總體設計目標。這些想法包括：

?  使用要簡單化，包括校準；
?  跟其它測量技術（比如渦輪流量計）有相同的應用基礎和接口連接；
?  不同外徑結構，沒有外在換能器纜線；
?  在不降低準確度的前提下，生產技術使得成本降低。

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

圖7-去掉外殼的4個換能器和纜線側視圖

這對保護換能器免受環境影響非常重要，并且它保護纜線免受運輸、安裝和維修中造成的破壞。

對所有4″管徑，流量計表體的底座長度為3D（D為管道內徑，下同）。這一點與其它的流量計比如渦輪流量計是一致的。因而流量計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等測量設備。

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

流量計提供以下數據：

? 2個獨立的雙向體積計數器，2個誤差體積計數器；
? 實際條件下的體積流量；
? 管道速度、聲速；
? 狀態參數（只針對連續運行）。

所有的電器都是低電源設計，允許太陽能供電，包括太陽能面板適配的控制電路。

流量計的生產資質符合ATEX和CSA要求，并遵守歐洲PED（壓力設備指導）和U.S.DOT102條例。歐洲許多國家的型式批準在關聯交易中可以使用，并且在北美的西南研究院（SwRI）作了檢定測試。

3.6校準

今天，許多流量計在對外銷售時附帶大氣壓下的校準證書。在商業應用場合，常常需要價格昂貴的高壓校準--有時包括完全的流量計運轉。

TotalSonic流量計提供了在大氣壓條件下校準的可能性（如果用戶接受的話）作為那個時刻的標準校準。在操作壓力下對基線進行雷諾數校正，數據可以用計算機計算出來，并且存儲在系統文件中。這造成了費用上的真正節省。

AGANO9號報告中[6]描述的程序不是真正的校準，只是把影響流量計準確度的各參數調整到它們的實際值。

對前面描述的與流量計性能有關的系統中各個組成部分，應用最新的最成熟的生產技術，在不久的將來，將會產生真正的“干校”技術。如果我們對系統各個組成部分都能成功地復現基本流量計的參數--比如測定傳播時間的換能器和電子電路，再比如決定幾何結構尺寸的部件象換能器和線軸元件。與基本流量計相比，在特定的安裝條件下，二次表會有相同的性能。這意味著系統組成元件生產的復現性和系統組裝的復現性會決定系統性能的再現性和可預知的準確度。此外，還可以節省校準費用。

很顯然，這種方案還有一些缺陷。當然從技術和經濟的角度來看，制造的“零”偏差是不切實際的。因此，必須有足夠的允許誤差。由于測量結果的數據分散，必須有統計學上要求的足夠數量的測試次數。由于到目前為止這種流量計生產的數量只有很少的幾百臺--要想有長足的進步，就必須有更大數量的流量計用很好的實測數據來支持假設和理論計算。

4 測試結果

在過去生產了幾臺流量計（口徑從4″到16″）來證明流量計性能穩定和制造工藝成熟。除了4″的，所有的流量計都有4個聲道。4″的流量計用了3個聲道。大多數這些流量計在常壓和高壓測試設備上進行實驗，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也可以在常壓條件下測量，直到口徑大到10″的這些流量計至少在SICK公司自己的常壓測試設備上進行過測試。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生產裝置進行了測試。

在那個時期內，流量計的性能和一系列的安裝效果對測試地點發生作用。此外，流量計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。對收集到的數據進行系統分析顯示出了對雷諾數的依賴性。現在軟件中可以實現對這種影響的校正。

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

在SanAntonioGRI測試設備的低壓回路中分別用口徑分別為4″、6″、8″的流量計進行測試。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（見圖8）。每種口徑中抽出一臺流量計又一次地在Groningen“GasUnitResearch”測試設備上進行了測試。

圖8-西南研究院的測試裝置圖9-被測試流量計（3臺4″，3臺6″）

這些測試的重點是：

? 測量準確度的確定；
? 檢查逆流性能；
? 流量計對操作條件的反應；
? 流量計對擾動流的反應。
? “干校”不確定度的研究。

為了檢查有關壓力、溫度和氣體組成的流量計穩定性，進行了進一步的研究。

4.1 “干校”結果

為了檢查“干校”的準確度，每一臺流量計都安裝在一個接近“理想”的流動狀態。這意味著在測試裝置上流量計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展的速度剖面。9臺被測試的流量計性能都非常好（圖10）。每一個提出的數據點是6次重復的平均值，每次測試的時間均在100s以上。回路用天然氣測試，壓力穩定在13bar，溫度穩定在20℃。對小口徑流量計，流量計誤差常常落在AGANO9[6]號報告中提出的誤差極限±1%以內。在測試流量范圍內的流量加權平均誤差（FWME）計算出來，并給出每臺流量計的校正因子。因此，下一部分的測試結果常常顯示流量計對理想基線校準的偏差。

表1.使用的校正因子一覽表

表1顯示出計算的校正因子。在95%置信水平下它們的平均值和計算的標準偏差。

圖10-所有流量計校正過的性能

由于時間和費用的限制，每種口徑選用一臺流量計進行了其它測試。

4.2逆流

盡管流量計設計具有對稱性，測試顯示出順流和逆流的不同的校正因子。隨著流量計口徑的變大，這種影響會變小。

表2.測試流量計逆流校正因子

這些測試結果也落在AGANO9[6]號報告中提出的誤差限內。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″流量計順流和逆流時經調整的性能

4.3流量條件的影響

受已發表的關于其它超聲流量計聲道布置下測試結果的影響，分析了流量計對流量條件的反應。測試采用19管束設計的流量調整器（圖12）和CPA盤（圖13）。CPA盤作為鑿孔盤設計的例子。

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″管徑上流量計對整流器的反應

4.4擾動流的情況

通常在實際安裝中“理想”流動情況是不可能的。流量計常常在限定的空間內操作，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之間安裝整流器。

圖15-測試用6″流量計，安裝在非同一平面的兩個彎頭后13D處

結果表明，4聲道斷面布置對這些典型的實際流量擾動不敏感，不需要安裝整流器。

圖16-6″管徑流量計，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誤差曲線，就要把雷諾數考慮進去（見圖17）。因此又進行了試驗證明校正的必要性。圖18顯示了流量計流速低到0.3m/s時的良好性能。應該指出的是，在測試過程中，由于環境溫度在（30-40）℃范圍內變化，要穩定測試氣體溫度就很困難。在非常小的流速時，結果有百分之幾的離散，更長的平均時間和雙倍數據點，被用來計算平均值。

圖17-6″管徑流量計低流量性能

5 現場安裝

在流量計的整個發展過程中，安裝在德國Kirchheilingen地下儲存設備“VerbundnetzGasAG”上的流量計（圖18）被用來總結現場安裝影響的更多的經驗。這種應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，試驗一個很大的流量范圍度，而且也在沒有氣體流過時試驗。最早的原型流量計安裝于2000年春天，這臺8″口徑，3聲道流量計穩定工作兩年多時間。

圖18-安裝于Kirchheilingen的流量計

從2001年8月開始，安裝了一臺6″和一臺8″流量計并投入使用（圖19）。兩臺流量計都用Elster渦輪流量計做參考。現在，這個流量計系統中安裝了一臺ABB流量計算機。所有的流量計對計算機脈沖輸出，此外，超聲流量計通過RS485MODBUS界面與流量計算機通信。流量計算機采集數據，并對三臺流量計求平均值。每過100s每臺流量計的流量數據就存儲一次。同時，每臺超聲流量計對渦輪流量計的偏差也計算出來并存儲。超聲流量計通過MODBUS界面提供流速、聲速等診斷信息，獲得每一聲道的信噪比，通過與流量計算機的遠程通信（設計了無線通信裝置），就可以很容易地對系統進行遠程安全檢查。

圖19-系統布置

在最后一個月里，進行了幾次“重復性”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″流量計的長期重復性常常高于±0.4%。階段性用眼睛檢查換能器可以看出隔膜臟污情況。普通的高碳數烴類蠟造成污染。從上游來的非常小的碳粒子相當于在管路中安裝了過濾器。同時發現在用激光多普勒風速計測定流速分布時的示蹤粒子也在隔膜上造成臟污。很明顯，雜質對換能器的性能沒有影響。

圖20-Kirchheilingen安裝的6″流量計

圖21-Kirchheilingen安裝的8″流量計

6 總結

新的能量計量系統基于眾所周知的超聲技術，但作了許多創新。文章不僅描述了現場應用的組合式流量計，而且介紹了包括太陽能能源和無線通信在內的整體計量系統。這使得可以遠程利用它。

我們相信這個系統將會進一步促進超聲流量技術的發展。

7參考文獻
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