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发表于 2009/10/15 11:27:45

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精华帖

标签: 超声波 换能器 时差法 标定 精确度

气体超声波流量计─天然气流量计量的发展趋势

        应用超声波原理测量流量始于1928年,而进入实用阶段约在20世纪70年代,但仍限于测量液体。用于测量气体流量约在90年代,至今不到10年。由于气体超声波流量计具有许多传统流量计(孔板、涡轮、涡街……等)无法相比的突出优点(见表1),在天然气流量计量领域中,它犹如一颗耀眼的新星,备受国内外工程技术界的关注。2000年6月在巴西召开的“FOLMEKO2000第十届流量测量国际学术讨论会”上,重点讨论了超声波流量计,该方面的论文数占论文总数的29.4%,接近1/3;而历届讨论最多的有关差压式的论文数仅占17.6%,不再成为热点。从发展趋势来看,由于超声波流量计具有精确度高、性能稳定可靠、量程比大、管道中无检测件等特点,在工程应用及国际贸易中,大有后来居上取代传统流量仪表的趋势。目前,美国、英国、荷兰、德国、加拿大、俄罗斯等10余个国家已批准它为天然气贸易输送系统的计量仪表。据了解,我国也正对此进行技术谁,制定了标准。仅以我国四大世纪工程之一的西气东输工程为例,经多次流量计量论证,已将气体超声波流量计作为流量计量的首选仪表。据估算,该项目一期工程对检测控制仪表的投资将达到100亿元左右。流量计量是整个工程中重要的检测参数,初步估计,管道为DN150~1000的大中型天然气输配计量站约数百个,DN100以下的流量计量所需仪表将以万计,流量计量投资约10亿元左右。这个巨大的市场对于仪表生产厂商来说,真是千载难逢!


        表1  流量计的性能比较

项目

孔板

涡街

涡轮

超声波

精确度(%

±1

±1

±1

±0.5

量程比

31

30:1

20:1

300:1

管径范围(mm

50~800

50~300

10~500

75~1600

压损

很大

较小

较小

对涡流的敏感

很敏感

很敏感

较敏感

不敏感

对流速分布的敏感

很敏感

很敏感

较敏感

不敏感

测脉动流

不适合

不适合

不适合

适合

测双向流

不能

不能

不能

可以

测湿气体

不能

不能

不能

可以

清洗管路

不能

不能

不能

可以


        二 原理
        1.流速测量
        目前用超声波法来测气体流量,时差法几乎是唯一的选择。
        其测量原理如图1所示,A、B是安装在管道上的两个换能器(Transducer),既可发射又可接受超声波。A牌上游,B牌下游,两者轴向距离为X,声道长度为L。从A向B发出的超声波顺流向到达B所需时间:


        tab=L/(C+Vmcosθ)
        式中  C——声速
        Vm——声道上的平均流速
        θ——换能器安装的倾角(声道角度)
        B接受信号后,向A返回的超声波信号为逆流向,所需时间为:
        tab=L/(C-Vmcosθ)
        再考虑cos?=X/L,两式相减化简可得
    


        从式(1)可知,用时差法测流体的轴向速度与声速C无关,这就大大简化了测量电路。这个方法早为人们所知,但实际应用到测量气体流量当时还有困难。近几年来由于集成电路的飞速发展,可以精确测量极其微小的时间差(达10-9~10-12s),才使其得以进入实用阶段。目前对时差的处理电路有PLL(锁向环路)、TLL(时间锁定环路)及LEFM(波前沿时间差法)等。
        2.流量测量
        流量应为管道横截面积A乘以流过管道横截面的流体流速V,它与上述声道L上的平均流速Vm并不相等,可用系数K予以修正,K=Vm/V。系数K取决于流体的雷诺数Re,在管道内充分发展的紊流条件下
        K=1.119-0.011×logRe    (2)
        当流速V变化10倍时,K值将变化1%,在进行精确测量时,必须用K对流量值进行动态修正。
        当管道的直管段不够长时,管内的流速分布不能形成充分发展的紊流,这将降低许多流量仪表测量的精确度。而超声波流量计可采取多声道的办法(可采用8个换能器、4个声道以测量整个截面的流速,如图(2)以减少受到的影响,帮仍可保持高达±0.5%~±1%的精确度。


        三 特点
        时差式气体超声波流量计现已成为当今气体流量(特别是高压、大口径)计量的首选仪表,它的特点如下:
        (1)适用于大口径管道测量,口径范围75~1200mm,最大口径可达1600mm;
        (2)精确度一般优于±0.5%,重复性可达±0.1%;
        (3)量程比很宽,可达300:1以上;
        (4)所需上下游直管段较短,上游为10D,下游为3D;
        (5)无可动部件,使用安全、可靠;
        (6)换能器轻巧,所占空间小,安装维护方便;
        (7)无压损,为节能产品,可降低输气管道增压费用;
        (8)可进行双向流量测量;
        (9)不测质量流量;
        (10)不受涡流及横截面流速分布变化的影响;
        (11)可精确测量脉动流;
        (12)不受温度、压力、气体组分变化的影响;
        (13)不受沉淀物、湿气的影响;
        (14)可在不断流、带压状态下更换换能器;
        (15)具有自检、自诊断功能;
        (16)管内无阻流件,可允许清洗球自由通过管道和流量计,清洗容易。
        四 标定
        虽然美国燃气协会的AGA9号报告认为采用超声波流量计测量天然气允许误差为±0.7%(口径小于300mm可允许±1%),按目前国外制造商的水平,不进行标定基本上都可以达到这个精确度要求。但不少天然气供应商在贸易计量时,为减少损失,仍希望通过标定来提高仪表的精确度。据Edgar估计,在DN400的管道中,输送6Mpa压力、750M3/h流量的天然气,如流量计误差为了0.7%,天然气价格按7美元/100M3计,那么每年将少收180万美元。而标定一台口径400mm的超声流量计,每次仅需约3~4万美元,几个工作日就可回收标定费用。
        标定方式可以有实流标定及干标定两种方式。
        1.实流标定
        实践证明,影响超声波流量精确度的因素很多,在实验室条件下进行实流标定是提高流量计精确度行之有效的方法。实流标定可采取基准法及比对法。基准法是通过基本的物理量作为流量的基准备来标定被校流量计,如Mt法;而比对法则是将一只精确度较高的流量计作为标准表,与被校仪表串联在同一管道上,在相同的流量下,比对两只流量计的差值,然后用流量系数来修正被校仪表的流量值,这种方法较基准法实施起来较为简便,但精确度低于基准法。
        以上两种标定方法,在我国成都华阳天然气流量计量站均可进行。


        表2  3家公司的超声波流量计性能

公司名称

Instromet

Controlotron

Daniel

口径(mm

100~1600

50~1200

150~1050

流速范围(m/s

-30~+30

-46~+46

-0.3~+35

量程比

3001

300﹡:1

2001

声道

1~6

1~4

4

精确度(%

≤±0.5

≤±0.5

≤±0.5

重复性

≤±5mm/s

≤±0.1%

≤±0.2%

压力范围(Mpa

5~45

0~42

1~18

温度范围(℃)

-20~+60

-20~232

-20~+85

模拟输入(mA

0~20

4~20

4~20

模拟输出

0~20mA

0~10V4~20 mA

4~20 mA

分辨力(mm/s

1

3

30

数据接口

RS-485/RS-232

RS-232 /RS-485

RS-485 /RS-232

响应时间(s

1

0.2~60

 

推荐上游直管长度(D

10

10

10

推荐下游直管长度(D

3

3

3

安全防爆标志

EExidIIT6

 

EExidIIT4

功耗(W

7

 

15

电源

DC 24VAC 110230V

DC 9~36VAC 90~230V

DC 20~28VAC 115230V±10

防护等级

IP65

IP65

IP65


        2.干标定
        实流标定较适用于DN300MM以下口径的流量计,而对于较大口径的流量计进行实流标定不仅拆装运输很繁琐,费用也过于昂贵,而且实际上未必有这么大的标定装置。鉴于过去几十年来对孔板流量计实行干标,取得了不少经验且剖有成效,而超声流量计也无法转动部件,可以借鉴孔板的干标。其方法如下。
        (1)几何尺寸测定:精密测量流量计壳体内部几何尺寸,是干标法的基础;
        (2)功能测试:将换能器装入主体接入电路,对流量计功能进行测试,确保其工作稳定。
        (3)组态调整:测试调整声道角度和声程。
        (4)零流量检测:零流量时,流量计的时差应等于零,管道口径愈大,零流量漂移应愈小。
        (5)声速计算:通过计算机和相关软件,计算不同组分下气体的声速。
        (6)声程标定:取两种不同压力下纯气体(如纯氮)的声程,取其平均值。
        五 生产与应用
        近几年,由于微电子,数字技术的进步,超声波流量计的发展势头异常迅猛。2000年在北京举办的“第十一届多国仪器仪表展览会(MICONEX)”上,超声波流量计的参展商就有10多家,但大多只能测液体流量。由于超声波通过气体的阻力(即气阻)要比通过液体和固体大的多,因此,对测量电路的要求更高。目前,在国际上能将超声波技术成功应用于测气体流量,并推出产品且占有一定市场的,估计不超过10家。处于领先地位的有荷兰的Instromet公司,美国的Controlotron公司,Daniel公司,德国的Krohne公司。前三个公司都已进入具有巨大潜力的我国市场,角逐激烈。我国在20多年以前,有科学院合肥分院与四川石油设计院联合研制气体超声波流量计,在1986年曾进行了样机试验;本溪无线电一厂也曾开发推出了CQJ-IA型气体超声波流量计,但至今还未成功地应用于现场。表2所列为已进入我国市场的3家国外公司超声波流量计的技术性能(所列数据仅供参考,如有改变,以厂家所报最新数据为准)。
        六 小结
        如上所述,超声波流量计以其优异的技术性能可用于天然气计量,当前,在我国的西气东输,川汉输气工程以及四川天然气计量改造等项目中,选用它作为计量仪表已成事实。但业内专家认为,在选用上还应注意以下问题:
        (1)气体超声波流量计是近年来推出的新型仪表,对使用中会出现的问题,还需要一个熟悉过程。选用不宜过热,应采取稳步,谨慎的态度。
        (2)目前气体超声波流量计均来自国外,且价格昂贵。面对我国巨大的市场,国内仪表工程界应尽早国产化,不可过分依赖国外。这不仅是外汇流失问题,对今后使用中的维修,配件更换更有好处。
        (3)应根据使用目的,合理选用流量仪表,不可盲目追求高指标。如干线的流量不可作为贸易的依据,仅供内部产量参考,则可选用价格便宜,安装方便但精确度较差的均速流量计;而在较小的口径(如小于DN100),超声波的技术优势并不突出,价格仍较贵,则可选用价格较低,精确度适中的涡轮流量计,或低速性能较好的旋进式漩涡流量计。

系统分类: PLC与PAC   |   用户分类: PLC与PAC   |   来源: 原创

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