液體超聲波流量計(jì)-3種流量計(jì)計(jì)量標(biāo)定方案
摘要：為解決液體超聲波流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定的難題, 分析超聲波流量計(jì)的測(cè)量特性, 得出影響實(shí)流標(biāo)定的原因是流量計(jì)脈沖輸出的滯后性、脈沖輸出的不規(guī)則性和對(duì)流量擾動(dòng)的敏感性。結(jié)合國(guó)際通用規(guī)范, 介紹了3種流量計(jì)標(biāo)定方案, 經(jīng)過(guò)比較分析后標(biāo)定裝置可優(yōu)先考慮直接標(biāo)準(zhǔn)表法, 即小體積管和渦街流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表串聯(lián)的方案。
在大口徑管道計(jì)量中, 多通道液體超聲波 (以下簡(jiǎn)稱液超) 逐漸被廣泛運(yùn)用在液烴的貿(mào)易交接計(jì)量中, 根據(jù)國(guó)內(nèi)外交接計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范, 用于液烴計(jì)量的流量計(jì)需要定期標(biāo)定。與機(jī)械式流量計(jì) (容積流量計(jì)和渦輪流量計(jì)) 不同, 液超流量計(jì)的計(jì)量具有滯后性, 對(duì)流量擾動(dòng)敏感, 這是液超標(biāo)定的難點(diǎn)。為此, 筆者分析了影響液超標(biāo)定的原因, 并根據(jù)API計(jì)量規(guī)范, 對(duì)不同的標(biāo)定方案進(jìn)行比較分析, 以得到較好的標(biāo)定方案, 降低檢定費(fèi)用和難度。
1、液超的特性分析：
1.1、液超的優(yōu)勢(shì)：
液超的優(yōu)勢(shì)包括:精度高, 量程比高, 口徑越大其經(jīng)濟(jì)性越好;無(wú)可動(dòng)部件, 幾乎沒(méi)有壓損, 對(duì)被測(cè)介質(zhì)的清潔度沒(méi)有要求, 后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用低;具有極強(qiáng)的在線診斷功能, 可以有效降低標(biāo)定的頻率。
1.2、液超的特性：
用于計(jì)量的液超 (圖1) 至少需要4個(gè)通道, 通常在流量計(jì)本體上成對(duì)安裝多個(gè)傳感器, 每個(gè)傳感器分別測(cè)量各自聲道的速度, 再匯總得出平均流速, ***終根據(jù)流通橫截面積計(jì)算出體積流量。
1.2.1、測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)分散：
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 即使保持流量穩(wěn)定, 液超的流速測(cè)量結(jié)果也總是在變化中, 各聲道的測(cè)速結(jié)果總在一個(gè)區(qū)域內(nèi)變化, 如圖2所示 (其中, 測(cè)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(xiàn)了擾動(dòng) (如漩渦、上游的管閥件及整流器等) , 從圖2中可以發(fā)現(xiàn), 越靠近管壁, 數(shù)據(jù)的發(fā)散性越大。在穩(wěn)態(tài)下, 各聲道的平均速度是相對(duì)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(qū)間與傳感器位置
1.2.2、擾動(dòng)頻率/頻譜：
流速變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的頻率或頻譜, 根據(jù)流體力學(xué)內(nèi)容可知, 高流速會(huì)產(chǎn)生高頻率。上游的管閥件、整流器等都會(huì)導(dǎo)致高頻的擾動(dòng);流速的緩慢變化會(huì)導(dǎo)致低頻的擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明, 各聲道流速的變化在高頻擾動(dòng)時(shí)沒(méi)有相關(guān)性, 但是在低頻擾動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。流體擾動(dòng)導(dǎo)致液超產(chǎn)生了不規(guī)則的脈沖輸出, 如圖3所示。而容積式和渦輪流量計(jì)有可動(dòng)部件, 機(jī)械部件會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性脈沖輸出, 如圖4所示。因?yàn)橛糜诹髁坑?jì)標(biāo)定的體積管是靠識(shí)別脈沖數(shù)目來(lái)確定流量的, 所以液超流量計(jì)比容積式和渦流式流量計(jì)更難用體積管標(biāo)定。
圖3 液超的不規(guī)則脈沖輸出
圖4 渦輪流量計(jì)的規(guī)則脈沖輸出
1.2.3、有效橫截面積：
液超體積流量Q的計(jì)算式為:
式中d———流體有效橫截直徑;
k———修正系數(shù)
V———平均線速度。
管道內(nèi)流體的有效橫截面積與雷諾數(shù)有關(guān), 雷諾數(shù)較低時(shí), 流體受管道阻力較大, 流體形狀圓潤(rùn), 有效橫截面積較小;隨著雷諾數(shù)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(tài)下的有效橫截面積
流體雷諾數(shù)影響管道內(nèi)流體的有效橫截面積, 進(jìn)而影響流量的計(jì)算。但若流體物性變化不大, 通常認(rèn)為有效橫截面積不變。因此定期對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)液標(biāo)定, 用計(jì)算得到的儀表系數(shù)對(duì)流量計(jì)示數(shù)進(jìn)行修正, 可消除物性變化對(duì)流量計(jì)算的影響。
1.2.4、合成脈沖：
與容積式和渦輪式流量計(jì)不同的是, 超聲波流量計(jì)沒(méi)有可動(dòng)部件來(lái)產(chǎn)生脈沖。因此超聲波流量計(jì)采用數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器“人工”合成脈沖, 每隔50~500ms對(duì)流體進(jìn)行采樣, 計(jì)算得到平均流速, 進(jìn)而輸出脈沖信號(hào), 可見輸出的測(cè)量信息滯后于流量特性。
在正常情況下, 通過(guò)設(shè)置合適的儀表系數(shù), 可使脈沖輸出的延遲對(duì)測(cè)量精度的影響很小。但是, 在標(biāo)定時(shí)延遲的脈沖會(huì)導(dǎo)致可重復(fù)性變差且引起儀表系數(shù)發(fā)生偏差, 因?yàn)榱髁坑?jì)的重復(fù)性等同于脈沖輸出數(shù)量的重復(fù)性, 標(biāo)定過(guò)程中需測(cè)量流經(jīng)兩個(gè)檢測(cè)開關(guān)之間的流體體積的脈沖數(shù)量。脈沖測(cè)量的滯后性將導(dǎo)致參與計(jì)數(shù)的一些脈沖實(shí)際上發(fā)生在檢測(cè)開關(guān)被觸發(fā)之前
2、標(biāo)定方案：
標(biāo)定系統(tǒng)一直都是交接計(jì)量成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 選擇合適的體積管和方法是非常重要的。目前, API的流量計(jì)標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)表法。標(biāo)定過(guò)程中將被檢流量計(jì)與標(biāo)定裝置串聯(lián), 用體積管的標(biāo)準(zhǔn)體積 (或已知精度的標(biāo)準(zhǔn)表) 來(lái)認(rèn)證被檢流量計(jì)的精度, 當(dāng)流量穩(wěn)定地流經(jīng)被檢流量計(jì)和體積管時(shí), 將位移器從兩個(gè)檢測(cè)開關(guān)之間的計(jì)量段所置換出的流體體積與流量計(jì)的示值相比較, 就能確定流量計(jì)的示值誤差。對(duì)于液超, API MPMS 4.8規(guī)定應(yīng)滿足±0.027%的儀表系數(shù)不確定度
2.1、活塞式體積管：
活塞式體積管標(biāo)定具有量程比大、占地面積小、檢定時(shí)間短及投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn), 在交接計(jì)量撬的標(biāo)定中得到廣泛應(yīng)用, 特別是海上平臺(tái)。但是對(duì)于超聲波流量計(jì), 工業(yè)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(yùn)行過(guò)程中的發(fā)射和回收會(huì)引起流量的明顯擾動(dòng), 導(dǎo)致重復(fù)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(biāo)定。
表1 不同超聲波流量計(jì)尺寸對(duì)應(yīng)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(zhǔn)確度高和可靠性高的特點(diǎn), 在液烴輸送行業(yè)中應(yīng)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?yàn)轶w積夠大, 所以超聲波流量計(jì)本身的滯后性對(duì)球形體積管的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)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(biāo)定4in的液超, 球式體積管大約長(zhǎng)20m、寬6m, 重11t。但是對(duì)于大尺寸的液超, 球式體積管的占地面積過(guò)于巨大, 標(biāo)定12in液超時(shí), 球式體積管長(zhǎng)90m、寬6m, 海上平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn), 即使在陸地上, 制造、運(yùn)輸、安裝也非常不便, 經(jīng)濟(jì)性較差。所以對(duì)于小尺寸液超, 可以考慮直接用球式體積管標(biāo)定;而對(duì)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(biāo)準(zhǔn)表：
根據(jù)API MPMS 4.5的要求, 標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法又分為直接標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法和間接標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法
直接標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法。體積管與標(biāo)準(zhǔn)表和液超都串聯(lián)在一起, 在同樣的操作和工藝條件下, 體積管先標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)表, 標(biāo)準(zhǔn)表再標(biāo)定液超。這種方法運(yùn)用了等精度傳遞理論, 即在流量量值傳遞時(shí)只要滿足計(jì)量學(xué)相同性基本原則, 流量計(jì)在使用和檢定時(shí)流量點(diǎn)相同、介質(zhì)相同、使用介質(zhì)的物理特性相同、流量計(jì)檢定和使用時(shí)幾何特性相同、流量計(jì)在檢定和使用過(guò)程中的操作過(guò)程相同, 那么流量基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的流量單位值將會(huì)等精度傳遞給工作流量計(jì)
間接標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法是用已經(jīng)標(biāo)定好的標(biāo)準(zhǔn)表與液超在現(xiàn)場(chǎng)串聯(lián), 用已知精度的標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定液超。利用在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定好或者上次在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定好的標(biāo)準(zhǔn)表來(lái)標(biāo)定液超時(shí), 因?yàn)闃?biāo)定的流體狀況、操作條件和安裝方式都發(fā)生了改變, 所以會(huì)帶來(lái)比較大的偏差。
綜上所述, 直接標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法是的主要檢定方法, 國(guó)外主要的技術(shù)機(jī)構(gòu)都采用此方法, 并且主流的流量計(jì)算機(jī)都在控制程序中支持該檢定方法。考慮到活塞式體積管標(biāo)定的優(yōu)點(diǎn), 直接標(biāo)準(zhǔn)表法中主要采用活塞式體積管。標(biāo)準(zhǔn)表主要采用渦輪流量計(jì), 因?yàn)橛没钊襟w積管標(biāo)定渦輪流量計(jì)比較容易達(dá)到要求的可重復(fù)性。
體積管-標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定程序如下:
a.連接好標(biāo)定工藝回路, 連通工藝介質(zhì), 并檢查整個(gè)回路的密封性;
b.調(diào)節(jié)并穩(wěn)定流量至設(shè)定值, 穩(wěn)定溫度;
c.用體積管標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)表, 多次重復(fù)測(cè)量, 使儀表系數(shù)的不確定度為±0.027%, 此時(shí)液超標(biāo)定次數(shù)和對(duì)應(yīng)的可重復(fù)性見表2
d.把新的儀表系數(shù)植入標(biāo)準(zhǔn)表中;
e.用標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定液超, 使液超的儀表系數(shù)滿足較低不確定度為±0.027%的要求;
f.重新用小體積管標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)表, 確保新的標(biāo)準(zhǔn)表的儀表系數(shù)和上次相比變化小于0.02%, 否則重復(fù)以上步驟;
g.根據(jù)不同的流量, 重復(fù)以上步驟。
表2 液超標(biāo)定次數(shù)與重復(fù)性要求
3、結(jié)束語(yǔ)：
液超測(cè)量具有滯后性, 并且對(duì)流量擾動(dòng)敏感, 導(dǎo)致液超的實(shí)流標(biāo)定成為業(yè)界一大難題。通過(guò)對(duì)液超測(cè)量特性的具體分析, 總結(jié)出直接標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法 (體積管+標(biāo)準(zhǔn)表) 是性價(jià)比較高的一種標(biāo)定方案, 其中小體積管+渦輪標(biāo)準(zhǔn)表方案得到了廣泛認(rèn)可, 與直接標(biāo)定法 (球形體積管) 相比具有尺寸小、重量輕、可移動(dòng)及經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)勢(shì), 是海上和陸上液烴計(jì)量的實(shí)惠方案。
相關(guān)產(chǎn)品：
