氣體超聲流量計干標方法

      陜京線(xiàn)是我國目前輸送距離最長(cháng)、管徑最大的天然氣管道。該管道幾個(gè)分輸站已將氣體超聲流量計作為天然氣的流量計量?jì)x表使用。該儀表從原理上擺脫了對流體動(dòng)能的依賴(lài)性，能夠測量較低的氣體流量，使流量計具有非常寬的量程比，并且在測量中不會(huì )引起壓力損失，是比較理想的實(shí)用性貿易結算計量?jì)x表。

      一、氣體超聲流量計的工作原理

      時(shí)間差法超聲流量計的工作原理見(jiàn)圖1（僅為單聲道的流量計，也適用于其他結構，與流量計的聲道數無(wú)關(guān)）。

      在流體管道中安裝有兩個(gè)既能發(fā)送又能接收超聲脈沖的探頭A和B，這種安裝方式能使一個(gè)傳感器發(fā)出的超聲脈沖被另一個(gè)傳感器接受，從而形成聲道。在有流體流動(dòng)的管道中，超聲脈沖順流傳播的速度比逆流快。流體的速度越快，超聲順流和逆流傳播的的時(shí)間差越大。各參數之間有如下關(guān)系：

      （1）

      （2）

      式中 L——聲道長(cháng)度，m；
             C——試驗條件下的聲速，m/s；
             V——流動(dòng)介質(zhì)的速度，m/s；
             φ——被測介質(zhì)流動(dòng)方向的矢量與聲道之間的夾角，（^o）。

      由式（1）和式（2）可以得到被測氣體流速：

      （3）

      式（3）表明，氣體流速的測量與被測氣體的性質(zhì)（壓力、溫度等）無(wú)關(guān)。

      二、干標法標定氣體超聲流量計的必要性和可行性

      目前，在北美、南美和歐洲以及國內，對用于財務(wù)結算計量或貿易輸送計量的氣體超聲流量計，通常是在測試裝置上用標準表與參比表進(jìn)行對比來(lái)標定的。對于較小的氣體超聲流量計（口徑在300mm以?xún)龋�，利用現有的裝置進(jìn)行標定是比較現實(shí)可行的。但由于較大口徑的氣體超聲流量計已非常普遍，如按常規方法，讓用戶(hù)將流量計從使用的管道上拆卸下來(lái)，運送到標定裝置上進(jìn)行流量標定，費用非常昂貴，而且是一個(gè)十分費時(shí)的過(guò)程。

      實(shí)踐證明，干標法對于孔板流量計是可行的�？装辶髁坑嫷臋z定是根據孔板幾何尺寸、對孔板安裝條件的檢驗和對二次儀表的檢驗來(lái)評價(jià)流量測量的不確定度�？装辶髁坑嫑](méi)有可動(dòng)部件，如果所有的幾何尺寸、附屬組件已被檢查和標定，其性能就可獲知。同樣，超聲流量計也沒(méi)有可動(dòng)部件，因此可以通過(guò)幾何尺寸的檢查以及運行特性的檢查來(lái)確定流量計的性能。

      三、氣體超聲流量計的干標

      流量計的干標與流量標定不同，它不是利用標準或參比表來(lái)檢查流量計的結果（被測氣體的體積/參比流量）。如果管道幾何尺寸能被檢查，而電子單元和探頭被測試能準確測量氣體流速，經(jīng)過(guò)這兩部分的檢定，而能夠確定流量的準確度，就可將此過(guò)程稱(chēng)為間接檢定。但因這個(gè)檢定的結果需要調整流量計的組態(tài)，因此這過(guò)程稱(chēng)為干標。

      與孔板流量計的干標方法相類(lèi)似，氣體超聲流量計的干標基礎是幾何尺寸的標定和傳播時(shí)間差等，并利用表格公式或數學(xué)表達式建立氣體測量與被測量的關(guān)系式。為了確保流量計的性能并提供所進(jìn)行工作的數據檢查跟蹤，干標的各個(gè)步驟都必須遵循以下幾點(diǎn)要求。

      （1）流量計幾何尺寸的檢定   對于干標，精確檢定尺寸公差是一個(gè)非常重要的手段。必須測量與超聲氣體流量計的有關(guān)幾何參數，以便測定聲道的角度和聲程（聲道的長(cháng)度）。

      （2）電子線(xiàn)路與探頭功能的測試   在將電子線(xiàn)路與超聲探頭裝在流量計主體之后，要進(jìn)行功能測試，以確保流量計的電子線(xiàn)路組件（信號處理單元（SPU）以及全部探頭）都能正常工作。

      （3）電子線(xiàn)路的組態(tài)   在獲得精確的尺寸測量結果后，就要對超聲流量計進(jìn)行組態(tài)，以適應加工制造中的任何微小變化。這些是僅有的組態(tài)項目，即對每一個(gè)特定的流量計進(jìn)行調整（根據尺寸檢測報告得出的組態(tài)項）。其他的組態(tài)項目對于一個(gè)給定的流量計口徑都是通用的，不會(huì )隨著(zhù)流量計的個(gè)體而改變。通過(guò)調整通道長(cháng)度和角度來(lái)考慮微小的制造上的變化。一般地φ聲道角為60^o。如果機械尺寸沒(méi)有精確到千分之幾英寸，此夾角將會(huì )改變。測量原有尺寸并計算實(shí)際的夾角及聲程，能改善流量計的準確度。

      （4）零流量檢查   零流量檢查測試指的是當沒(méi)有流量時(shí)，流量計應無(wú)流量指示。若有流量指示，則是“偽示值”。如果電子線(xiàn)路或探頭有計時(shí)誤差時(shí)，就可能產(chǎn)生“偽示值”。即使沒(méi)有氣體流過(guò)流量計，仍能檢測到探頭之間的傳輸時(shí)間差。對于安裝在現場(chǎng)的氣體超聲流量計，只要流量計能被隔離開(kāi)來(lái)，就能進(jìn)行零流量檢查測試。在進(jìn)行這項測試時(shí)，應該非常小心，以避免誤解所得的結果，尤其是隔離閥門(mén)的輕微泄漏或是由于日光和風(fēng)吹造成的溫度梯度，都會(huì )影響測試結果的可靠性。

      （5）聲速計算   由超聲流量計工作原理可知，氣體流動(dòng)對聲速值影響不大。假設氣體的溫度、壓力和組分保持不變，不管流量多少，聲速都將保持相對不變。聲程計算中的任何誤差都將影響流量計的精確度。將計算出的理論聲速與超聲流量計輸出的聲速進(jìn)行比較并用“調整”來(lái)調整聲程，所得的結果仍是由流量計測得的聲速測量值所能達到的最高精度。這樣不僅減少了測量的不確定度，而且有助于實(shí)現可重復的流量計性能。

      （6）聲程的標定   為獲得準確的聲速結果，流量計必須用一種已知成分的氣體來(lái)加壓，該氣體一般采用99.5超純的氮氣。在測試前，先標定壓力變送器和溫度變送器，并保證流量計內充入氮氣時(shí)沒(méi)有污染的介質(zhì)。然后在1.4MPa和3.4MPa兩種壓力下分別獲得測試數據，并進(jìn)行數據處理。聲程改變的量是根據兩種壓力下所獲得數據的平均值來(lái)確定的，然后將新的聲程輸入流量計。在重新校對聲程組態(tài)后，得到第三個(gè)結果，以確保流量計準確地計算聲速。如果差值超過(guò)0.03m/s，則再檢查測試結果，以發(fā)現誤差并修正。

      四、結論

      近幾年來(lái)，氣體超聲流量計以其適用范圍廣、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)在我國得到較快發(fā)展。然而，由于目前在我國應用的時(shí)間較短，許多產(chǎn)品尚需從國外引進(jìn)，而進(jìn)口儀表價(jià)格昂貴，因此氣體超聲流量計在我國的應用還不普遍。

      當前，我國尚無(wú)氣體超聲流量計的干標法的國家標準和檢定規范，其方法本身也會(huì )引起測量的不確定性。要完善超聲流量計的干標和測量標定的結果，需要生產(chǎn)廠(chǎng)家與使用者合作，通過(guò)試驗和實(shí)踐取得第一手資料，以消除影響流量計性能的不確定因素，逐步使其規范化和標準化。