液體超聲波流量計-3種流量計計量標定方案
摘要：為解決液體超聲波流量計實流標定的難題, 分析超聲波流量計的測量特性, 得出影響實流標定的原因是流量計脈沖輸出的滯后性、脈沖輸出的不規則性和對流量擾動的敏感性。結合國際通用規范, 介紹了3種流量計標定方案, 經過比較分析后標定裝置可優先考慮直接標準表法, 即小體積管和渦街流量計作為標準表串聯的方案。
在大口徑管道計量中, 多通道液體超聲波 (以下簡稱液超) 逐漸被廣泛運用在液烴的貿易交接計量中, 根據國內外交接計量的標準規范, 用于液烴計量的流量計需要定期標定。與機械式流量計 (容積流量計和渦輪流量計) 不同, 液超流量計的計量具有滯后性, 對流量擾動敏感, 這是液超標定的難點。為此, 筆者分析了影響液超標定的原因, 并根據API計量規范, 對不同的標定方案進行比較分析, 以得到較好的標定方案, 降低檢定費用和難度。
1、液超的特性分析：
1.1、液超的優勢：
液超的優勢包括:精度高, 量程比高, 口徑越大其經濟性越好;無可動部件, 幾乎沒有壓損, 對被測介質的清潔度沒有要求, 后期運營維護費用低;具有極強的在線診斷功能, 可以有效降低標定的頻率。
1.2、液超的特性：
用于計量的液超 (圖1) 至少需要4個通道, 通常在流量計本體上成對安裝多個傳感器, 每個傳感器分別測量各自聲道的速度, 再匯總得出平均流速, ***終根據流通橫截面積計算出體積流量。
1.2.1、測量結果數據分散：
實驗結果表明, 即使保持流量穩定, 液超的流速測量結果也總是在變化中, 各聲道的測速結果總在一個區域內變化, 如圖2所示 (其中, 測量速度和傳感器位置均做了歸一化處理) 。引起變化的原因是流體出現了擾動 (如漩渦、上游的管閥件及整流器等) , 從圖2中可以發現, 越靠近管壁, 數據的發散性越大。在穩態下, 各聲道的平均速度是相對固定的, 所以液超必須求各聲道流速的平均值。
圖1 液超透視圖
圖2 流速變化區間與傳感器位置
1.2.2、擾動頻率/頻譜：
流速變化會產生相應的頻率或頻譜, 根據流體力學內容可知, 高流速會產生高頻率。上游的管閥件、整流器等都會導致高頻的擾動;流速的緩慢變化會導致低頻的擾動。實驗表明, 各聲道流速的變化在高頻擾動時沒有相關性, 但是在低頻擾動時呈現一定的相關性。流體擾動導致液超產生了不規則的脈沖輸出, 如圖3所示。而容積式和渦輪流量計有可動部件, 機械部件會產生規律性脈沖輸出, 如圖4所示。因為用于流量計標定的體積管是靠識別脈沖數目來確定流量的, 所以液超流量計比容積式和渦流式流量計更難用體積管標定。
圖3 液超的不規則脈沖輸出
圖4 渦輪流量計的規則脈沖輸出
1.2.3、有效橫截面積：
液超體積流量Q的計算式為:
式中d———流體有效橫截直徑;
k———修正系數
V———平均線速度。
管道內流體的有效橫截面積與雷諾數有關, 雷諾數較低時, 流體受管道阻力較大, 流體形狀圓潤, 有效橫截面積較小;隨著雷諾數的增大, 流體受管道阻力較小, 有效橫截面積增大, 如圖5所示。
圖5 不同流態下的有效橫截面積
流體雷諾數影響管道內流體的有效橫截面積, 進而影響流量的計算。但若流體物性變化不大, 通常認為有效橫截面積不變。因此定期對流量計進行實液標定, 用計算得到的儀表系數對流量計示數進行修正, 可消除物性變化對流量計算的影響。
1.2.4、合成脈沖：
與容積式和渦輪式流量計不同的是, 超聲波流量計沒有可動部件來產生脈沖。因此超聲波流量計采用數字-頻率轉換器“人工”合成脈沖, 每隔50~500ms對流體進行采樣, 計算得到平均流速, 進而輸出脈沖信號, 可見輸出的測量信息滯后于流量特性。
在正常情況下, 通過設置合適的儀表系數, 可使脈沖輸出的延遲對測量精度的影響很小。但是, 在標定時延遲的脈沖會導致可重復性變差且引起儀表系數發生偏差, 因為流量計的重復性等同于脈沖輸出數量的重復性, 標定過程中需測量流經兩個檢測開關之間的流體體積的脈沖數量。脈沖測量的滯后性將導致參與計數的一些脈沖實際上發生在檢測開關被觸發之前
2、標定方案：
標定系統一直都是交接計量成功與否的關鍵環節, 選擇合適的體積管和方法是非常重要的。目前, API的流量計標定方式有3種:活塞式體積管、球式體積管 (單向球和雙向球) 和標準表法。標定過程中將被檢流量計與標定裝置串聯, 用體積管的標準體積 (或已知精度的標準表) 來認證被檢流量計的精度, 當流量穩定地流經被檢流量計和體積管時, 將位移器從兩個檢測開關之間的計量段所置換出的流體體積與流量計的示值相比較, 就能確定流量計的示值誤差。對于液超, API MPMS 4.8規定應滿足±0.027%的儀表系數不確定度
2.1、活塞式體積管：
活塞式體積管標定具有量程比大、占地面積小、檢定時間短及投資費用低等優點, 在交接計量撬的標定中得到廣泛應用, 特別是海上平臺。但是對于超聲波流量計, 工業界活塞式體積管***大尺寸的容積仍小于表1的值。另外, 活塞式體積管在運行過程中的發射和回收會引起流量的明顯擾動, 導致重復性很難滿足API的要求。因此, 活塞式體積管不能用于液超的直接標定。
表1 不同超聲波流量計尺寸對應的體積管***小容積
注:1in=25.4mm。
2.2、球式體積管：
球式體積管因具有準確度高和可靠性高的特點, 在液烴輸送行業中應用廣泛, 球式體積管的容積可以做的很大, 可以滿足表1的容積值, 因為體積夠大, 所以超聲波流量計本身的滯后性對球形體積管的影響可以忽略不計。對于小尺寸的液超, 球式體積管的占地面積是可以接受的, 如標定4in的液超, 球式體積管大約長20m、寬6m, 重11t。但是對于大尺寸的液超, 球式體積管的占地面積過于巨大, 標定12in液超時, 球式體積管長90m、寬6m, 海上平臺無法實現, 即使在陸地上, 制造、運輸、安裝也非常不便, 經濟性較差。所以對于小尺寸液超, 可以考慮直接用球式體積管標定;而對于大尺寸液超, 巨大的容積要求限制了體積管的使用。
2.3、標準表：
根據API MPMS 4.5的要求, 標準表標定法又分為直接標準表標定法和間接標準表標定法
直接標準表標定法。體積管與標準表和液超都串聯在一起, 在同樣的操作和工藝條件下, 體積管先標定標準表, 標準表再標定液超。這種方法運用了等精度傳遞理論, 即在流量量值傳遞時只要滿足計量學相同性基本原則, 流量計在使用和檢定時流量點相同、介質相同、使用介質的物理特性相同、流量計檢定和使用時幾何特性相同、流量計在檢定和使用過程中的操作過程相同, 那么流量基準所復現的流量單位值將會等精度傳遞給工作流量計
間接標準表標定法是用已經標定好的標準表與液超在現場串聯, 用已知精度的標準表標定液超。利用在實驗室標定好或者上次在現場標定好的標準表來標定液超時, 因為標定的流體狀況、操作條件和安裝方式都發生了改變, 所以會帶來比較大的偏差。
綜上所述, 直接標準表標定法是的主要檢定方法, 國外主要的技術機構都采用此方法, 并且主流的流量計算機都在控制程序中支持該檢定方法?？紤]到活塞式體積管標定的優點, 直接標準表法中主要采用活塞式體積管。標準表主要采用渦輪流量計, 因為用活塞式體積管標定渦輪流量計比較容易達到要求的可重復性。
體積管-標準表法標定程序如下:
a.連接好標定工藝回路, 連通工藝介質, 并檢查整個回路的密封性;
b.調節并穩定流量至設定值, 穩定溫度;
c.用體積管標定標準表, 多次重復測量, 使儀表系數的不確定度為±0.027%, 此時液超標定次數和對應的可重復性見表2
d.把新的儀表系數植入標準表中;
e.用標準表標定液超, 使液超的儀表系數滿足較低不確定度為±0.027%的要求;
f.重新用小體積管標定標準表, 確保新的標準表的儀表系數和上次相比變化小于0.02%, 否則重復以上步驟;
g.根據不同的流量, 重復以上步驟。
表2 液超標定次數與重復性要求
3、結束語：
液超測量具有滯后性, 并且對流量擾動敏感, 導致液超的實流標定成為業界一大難題。通過對液超測量特性的具體分析, 總結出直接標準表標定法 (體積管+標準表) 是性價比較高的一種標定方案, 其中小體積管+渦輪標準表方案得到了廣泛認可, 與直接標定法 (球形體積管) 相比具有尺寸小、重量輕、可移動及經濟性好等諸多優勢, 是海上和陸上液烴計量的實惠方案。
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