液体超声波流量计-3种流量计计量标定方案

摘要：为解决液体超声波流量计实流标定的难题, 分析超声波流量计的测量特性, 得出影响实流标定的原因是流量计脉冲输出的滞后性、脉冲输出的不规则性和对流量扰动的敏感性。结合国际通用规范, 介绍了3种流量计标定方案, 经过比较分析后标定装置可优先考虑直接标准表法, 即小体积管和涡街流量计作为标准表串联的方案。

在大口径管道计量中, 多通道液体超声波 (以下简称液超) 逐渐被广泛运用在液烃的贸易交接计量中, 根据国内外交接计量的标准规范, 用于液烃计量的流量计需要定期标定。与机械式流量计 (容积流量计和涡轮流量计) 不同, 液超流量计的计量具有滞后性, 对流量扰动敏感, 这是液超标定的难点。为此, 笔者分析了影响液超标定的原因, 并根据API计量规范, 对不同的标定方案进行比较分析, 以得到较好的标定方案, 降低检定费用和难度。

1、液超的特性分析：

1.1、液超的优势：

液超的优势包括:精度高, 量程比高, 口径越大其经济性越好;无可动部件, 几乎没有压损, 对被测介质的清洁度没有要求, 后期运营维护费用低;具有极强的在线诊断功能, 可以有效降低标定的频率。

1.2、液超的特性：

用于计量的液超 (图1) 至少需要4个通道, 通常在流量计本体上成对安装多个传感器, 每个传感器分别测量各自声道的速度, 再汇总得出平均流速, ***终根据流通横截面积计算出体积流量。

1.2.1、测量结果数据分散：

实验结果表明, 即使保持流量稳定, 液超的流速测量结果也总是在变化中, 各声道的测速结果总在一个区域内变化, 如图2所示 (其中, 测量速度和传感器位置均做了归一化处理) 。引起变化的原因是流体出现了扰动 (如漩涡、上游的管阀件及整流器等) , 从图2中可以发现, 越靠近管壁, 数据的发散性越大。在稳态下, 各声道的平均速度是相对固定的, 所以液超必须求各声道流速的平均值。

图1 液超透视图

图2 流速变化区间与传感器位置

1.2.2、扰动频率/频谱：

流速变化会产生相应的频率或频谱, 根据流体力学内容可知, 高流速会产生高频率。上游的管阀件、整流器等都会导致高频的扰动;流速的缓慢变化会导致低频的扰动。实验表明, 各声道流速的变化在高频扰动时没有相关性, 但是在低频扰动时呈现一定的相关性。流体扰动导致液超产生了不规则的脉冲输出, 如图3所示。而容积式和涡轮流量计有可动部件, 机械部件会产生规律性脉冲输出, 如图4所示。因为用于流量计标定的体积管是靠识别脉冲数目来确定流量的, 所以液超流量计比容积式和涡流式流量计更难用体积管标定。

图3 液超的不规则脉冲输出

图4 涡轮流量计的规则脉冲输出

1.2.3、有效横截面积：

液超体积流量Q的计算式为:

计算公式

式中d———流体有效横截直径;

k———修正系数[1];

V———平均线速度。

管道内流体的有效横截面积与雷诺数有关, 雷诺数较低时, 流体受管道阻力较大, 流体形状圆润, 有效横截面积较小;随着雷诺数的增大, 流体受管道阻力较小, 有效横截面积增大, 如图5所示。

图5 不同流态下的有效横截面积

流体雷诺数影响管道内流体的有效横截面积, 进而影响流量的计算。但若流体物性变化不大, 通常认为有效横截面积不变。因此定期对流量计进行实液标定, 用计算得到的仪表系数对流量计示数进行修正, 可消除物性变化对流量计算的影响。

1.2.4、合成脉冲：

与容积式和涡轮式流量计不同的是, 超声波流量计没有可动部件来产生脉冲。因此超声波流量计采用数字-频率转换器“人工”合成脉冲, 每隔50~500ms对流体进行采样, 计算得到平均流速, 进而输出脉冲信号, 可见输出的测量信息滞后于流量特性。

在正常情况下, 通过设置合适的仪表系数, 可使脉冲输出的延迟对测量精度的影响很小。但是, 在标定时延迟的脉冲会导致可重复性变差且引起仪表系数发生偏差, 因为流量计的重复性等同于脉冲输出数量的重复性, 标定过程中需测量流经两个检测开关之间的流体体积的脉冲数量。脉冲测量的滞后性将导致参与计数的一些脉冲实际上发生在检测开关被触发之前[2]。另外, 在标定时如果流体不稳定, 在标定球或活塞触发标定撬检测开关时流体出现瞬时扰动, 会导致液超脉冲的不规律输出。

2、标定方案：

标定系统一直都是交接计量成功与否的关键环节, 选择合适的体积管和方法是非常重要的。目前, API的流量计标定方式有3种:活塞式体积管、球式体积管 (单向球和双向球) 和标准表法。标定过程中将被检流量计与标定装置串联, 用体积管的标准体积 (或已知精度的标准表) 来认证被检流量计的精度, 当流量稳定地流经被检流量计和体积管时, 将位移器从两个检测开关之间的计量段所置换出的流体体积与流量计的示值相比较, 就能确定流量计的示值误差。对于液超, API MPMS 4.8规定应满足±0.027%的仪表系数不确定度[3], 体积管的容积至少满足表1中的要求。

2.1、活塞式体积管：

活塞式体积管标定具有量程比大、占地面积小、检定时间短及投资费用低等优点, 在交接计量撬的标定中得到广泛应用, 特别是海上平台。但是对于超声波流量计, 工业界活塞式体积管***大尺寸的容积仍小于表1的值。另外, 活塞式体积管在运行过程中的发射和回收会引起流量的明显扰动, 导致重复性很难满足API的要求。因此, 活塞式体积管不能用于液超的直接标定。

表1 不同超声波流量计尺寸对应的体积管***小容积

注:1in=25.4mm。

2.2、球式体积管：

球式体积管因具有准确度高和可靠性高的特点, 在液烃输送行业中应用广泛, 球式体积管的容积可以做的很大, 可以满足表1的容积值, 因为体积够大, 所以超声波流量计本身的滞后性对球形体积管的影响可以忽略不计。对于小尺寸的液超, 球式体积管的占地面积是可以接受的, 如标定4in的液超, 球式体积管大约长20m、宽6m, 重11t。但是对于大尺寸的液超, 球式体积管的占地面积过于巨大, 标定12in液超时, 球式体积管长90m、宽6m, 海上平台无法实现, 即使在陆地上, 制造、运输、安装也非常不便, 经济性较差。所以对于小尺寸液超, 可以考虑直接用球式体积管标定;而对于大尺寸液超, 巨大的容积要求限制了体积管的使用。

2.3、标准表：

根据API MPMS 4.5的要求, 标准表标定法又分为直接标准表标定法和间接标准表标定法[4]。

直接标准表标定法。体积管与标准表和液超都串联在一起, 在同样的操作和工艺条件下, 体积管先标定标准表, 标准表再标定液超。这种方法运用了等精度传递理论, 即在流量量值传递时只要满足计量学相同性基本原则, 流量计在使用和检定时流量点相同、介质相同、使用介质的物理特性相同、流量计检定和使用时几何特性相同、流量计在检定和使用过程中的操作过程相同, 那么流量基准所复现的流量单位值将会等精度传递给工作流量计[1]。

间接标准表标定法是用已经标定好的标准表与液超在现场串联, 用已知精度的标准表标定液超。利用在实验室标定好或者上次在现场标定好的标准表来标定液超时, 因为标定的流体状况、操作条件和安装方式都发生了改变, 所以会带来比较大的偏差。

综上所述, 直接标准表标定法是的主要检定方法, 国外主要的技术机构都采用此方法, 并且主流的流量计算机都在控制程序中支持该检定方法。考虑到活塞式体积管标定的优点, 直接标准表法中主要采用活塞式体积管。标准表主要采用涡轮流量计, 因为用活塞式体积管标定涡轮流量计比较容易达到要求的可重复性。

体积管-标准表法标定程序如下:

a.连接好标定工艺回路, 连通工艺介质, 并检查整个回路的密封性;

b.调节并稳定流量至设定值, 稳定温度;

c.用体积管标定标准表, 多次重复测量, 使仪表系数的不确定度为±0.027%, 此时液超标定次数和对应的可重复性见表2[3];

d.把新的仪表系数植入标准表中;

e.用标准表标定液超, 使液超的仪表系数满足较低不确定度为±0.027%的要求;

f.重新用小体积管标定标准表, 确保新的标准表的仪表系数和上次相比变化小于0.02%, 否则重复以上步骤;

g.根据不同的流量, 重复以上步骤。

表2 液超标定次数与重复性要求

3、结束语：

液超测量具有滞后性, 并且对流量扰动敏感, 导致液超的实流标定成为业界一大难题。通过对液超测量特性的具体分析, 总结出直接标准表标定法 (体积管+标准表) 是性价比较高的一种标定方案, 其中小体积管+涡轮标准表方案得到了广泛认可, 与直接标定法 (球形体积管) 相比具有尺寸小、重量轻、可移动及经济性好等诸多优势, 是海上和陆上液烃计量的实惠方案。

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