• 引言
超声技术已经达到了一个相当成熟完备的程度，它已广泛被各种测试团体接受。但是，要想在将来象其它技术，比如涡轮和孔板流量计一样被广泛使用，超声流量计还有技术上和经济上的具体工作要做，以期在将来占有预计的市场份额 [1] 。
除了众所周知的天然气传输管道中体积流量计量外，即将面临一个大的需要，即在遥远、任意的地点，比如生产地、集输线上测量天然气的能量含量。
这篇文章描述一个整体的天然气能量测量的系统。它的基础是一台用于财务、贸易结算的新型超声流量计。这种流量计被设计成在传统的超声测量点使用，跟在现场使用一样。真正的现场今天反而不使用超声流量计了。整个系统的功能，如在太阳能驱动下操作，强大的数据传输，无线通讯技术，使得它非常适合远程地区。除了超声流量计方面众所周知的优点外，该系统在声速检查的基础上提供了一种真实的自诊断功能，因此它满足了系统在偏远地区使用的特征。它对降低与流量计维护修理有关的人力费用非常重要，将会保证测量数据有较好的可信度。
• 应用超声流量测量技术的能量计量系统
在世界范围内，天然气是以能量单位买卖的。在天然气管线中，现在还没有直接测量能量的独立的流量计。能量计量系统由测量体积流量的气体流量计、带有自动采样器的气体组成分析设备组成，并普遍使用积算仪。应用于能量计量系统中的气体流量测定技术包括从简单的孔板、涡轮流量计直到最新的“超声气体流量计”。
这里描述的系统利用了各组成部分均低能源消耗的长处，使得系统可以完全由太阳能充电的电池驱动。作为选择，交流和直流电源均可以驱动系统各组成部分。
• 系统描述
要确定天然气的能量需要描述于图 1 中的系统和它的各个组成部分以及其它仪器仪表。各主要部分在下面介绍。
测量体积流量的流量计
这里建议的能量计量系统使用图 2 所示的集成式的，可以长时间连续工作的超声流量计。传感器技术中使用小型化的超声换能器，它具有非常小的压力、温度影响的交叉敏感度。这可以使流量计在一个很宽的温度范围和低到大气压的很宽的压力范围内操作。
管路交汇处分布超声通道，当地气体流速信息从声道获得。综合实际流速分布，就可以确定体积流量。利用这些信息，再把流量计的结构尺寸特征考虑进来，由随车携带的计算机处理。有关实际测定的流速、管道速度、声速和计算出的体积通过数字通信界面传向系统流量计算机。
集成的超声气体流量计（图 2 ）由于没有可动部件因而本质上无需维修。包括远程诊断在内的宽范围的通信选项减少了总体需要的维修。
此外的流量计信息诸如管速、声速和诊断信息借助系列通信界面都可以得到。
图 1 —天然气能量计量系统
图 2 — TotalSonic 超升流量计
BTU 能量分析仪
BTU 分析仪基于气相色谱原理。设备自动地从管线中采集气体样品并进行分析，在贸易结算要求的精度内确定它的分子组成和热值。这些相关的信息被用来计算气体密度、超压缩因子和它的发热量。使用这种气体分析的先进设备，气体组成的分析数据可以在几分钟内得到。随车携带的控制仪将会存储分析结果。日后这些数据可以由系统计算机调出来使用。当完成一个新的分析后，这些存储的数据可以得到更新，整个过程大约 3 分钟。
符合 MODBUS 协议的标准系列通信接口（ RS232 、 RS422 和 RS485 ）使得流量计算机可以非常容易地访问最新气体分析数据。管理系统和计算机使用人 - 机对话界面（ MMI ）。有 3 个远程的和 1 个当地的通信接口。系统支持的通信协议包括远程 / 当地人机对话界面，到打印机 / 控制台的工程界面， ASC Ⅱ（ HCIA ）主机界面， Modbus 、 DSFG 和 PTB 打印输出。
总体的设计模式把所需要的平均维修时间从几周减少到几小时。使用数字技术两次校准之间需要的时间已扩展到几个月。
系统流量计算机
流量计算机是计量系统的中央处理单元。它访问从气体分析仪得到的最新的分析数据。从流量计获得流速信息，包括压力和温度读数，使用获准的和当地计量部门认可的（比如 AGA 、 PTB 、 NMI ）计算方法，天然气中的能量就可以计算出来。
流量计算机的功能包括在用户选择的时间间隔内获取和存储临界数据。所有已存储的数据可以应用流量计算机的通信选项远程访问。可用的通信选项是借助调制解调器、无线电、通信卫星的标准电话线。
可以在固定的或移动的 PC 机上运行的适应性很强的软件被用来就地或远程与流量计算机通信、监控、获取数据和诊断。
2.2 通信界面和数据传输
系统流量计算机与系统气体分析仪系列通信。 Totalflow Btu 8000 型气体分析仪和大多数其它工业标准气相色谱仪及分析设备都符合 Modbus 协议。流量计算机从系统分析仪存储器中调取需要的数据。如果没有在线的气体分析仪，需要的信息可以手工输入进流量计算机，并在有了新的数据时予以更新。
使用超声流量计状态参数时，最好能通过系列通信界面连接到流量计算机。 TotalSonic 和许多在气体计量工业中应用的超声流量计都符合 Modbus 协议。同时提供了到其它形式的气体流量计的脉冲和模拟流量计量界面。
所有数据处理的结果以用户自己选择的时间间隔存储在流量计算机的存储单元中，确保不会丢失。如图 3 中所示，这些信息，包括最新的文件，系统控制数据都可应用调制解调器、无线电、通信卫星等当地或远程的通信界面进行访问。
图 3 —与共同的网络和 / 或互联网通信
2.3 系统安全检查
为了保证系统正确的操作和得到高质量的数据，系统的每一组成部分都需要符合设定的规范。因此，每一测量设备都进行许多操作和状态检查。如果系统出了问题或需要维修，每一组成部分都与系统中央单元通信，这样就有可能管理和 / 或监控系统。系统的每一组成部分可以与当地和 / 或远程诊断软件沟通决定系统状态和分析问题。
控制系统性能的一个简单和有效的方法是通过从 TotalSonic 超声流量计得到的声速信息和根据气体分析仪气体组成分析数据计算得到的天然气中的声速。为了实施计算功能，可以使用一种商业上可行的软件包，或经过许可的并已编程的 AGA NO 10[2] 号报告中描述的方法。这些计算和比较可以按预定的时间间隔或连续地实施，并且用户设置偏差和极限来触发报警系统来表明系统性能出现了问题。
• TotalSonic 超声流量计的描述
• 操作原理
TotalSonic 流量计应用著名的传播时间测量的原理。在表体内安装超声传感器，由它来确定通过通道，与气体流动方向成 60 °角度。
为了在不同的安装条件下得到很高的准确度，开始使用多声道测量，并且体积流量通过各声道流速的加权求和得到。
3.2 声道断面图
声道在断面上的布置结构对流量计的性能有很重要的影响。已经有很多不同声道断面的文章发表，典型的为 3-6 个声道，其中应用了直接传播和反弹声道技术。
对于 TotalSonic 流量计（图 5 ），选择使用了 4 声道断面布置。这一点与 Whyler[3] 建议的非常相似。
|
|
|
图 5 — TotalSonic 流量计声道断面图 |
有几个原因支持使用非反弹多声道断面布置的想法：
• SICK 公司（见后面）发展起来的高精度测量时间的换能器技术不需要扩展声道长度。这种测量在总不确定度的贡献小于 10% ——在大口径时就更小；
• 不采用弹性声道的技术消除了管内的反射点。这一点可以改变它的一些特征，比如因杂质或管壁粗糙程度而产生了附加不确定度的特征。表体的机械加工被简化了，因而降低了生产成本；
• 反射的避免节约了声能。这使得可以减小电源输入，允许在所有的操作条件下包括大气压、气体低密度（ H 2 ）或高声能衰减（ CO 2 ）等运行更大口径的流量计；
• 这种特殊的声道断面布置结构可以很好地补偿（但不测量）由于旋涡流引起的测量偏差。这一点通过高压、常压下大量试验已得到证实；
• 采用 4 声道，并且具有补偿旋涡流功能的声道布置结构的流量计，比采用 6 声道，但可以独立测量旋涡流补偿的流量计节省了成本。这一点使得超声技术的成本比较接近于机械技术。
3.3 换能器技术
众所周知，换能器是超声流量计的核心和起决定性作用的部件。大多数现在应用的换能器采用所谓声学匹配层来与气体阻抗和固体表体匹配。
SICK/ABB 的换能器技术基于全金属设计，不使用任何匹配层（图 6 ）。这种阻抗的匹配通过完全用钛制造的声能变压器的特别设计来实现。设计工艺基于两个要点：
1.20 年的换能器设计经验用于控制发射的高热可燃性气体流量计量系统中；
2. 强大的理论支持——所有的换能器使用 FEM 方法和电机转换技术，从理论上建立了模型。
特别的换能器设计促进了以下方面的进展：
• 换能器小型化使得前面描述的声道断面布置结构适用于小口径（ 3 ″和 4 ″），这样流量计可以造的很紧凑；
• 传播时间的高精度测量使得 60 °安装成为可能——这使得换能器端口或换能器突入流体的部件造成的紊乱得以减小；
• 金属声能变压器具有高效性——使得流量计可以在常压和高到 100bar 的高压下用同一种类型的换能器操作；
• 理论模型允许对设计参数进行有效的控制。这使得压力和温度不依赖于换能器性能，不需要进行补偿；
• 不使用匹配层和温度敏感胶的作法允许系统在高达 200 ℃的温度下操作；
• 换能器机械制造的高再现性保障了传播时间测量的高再现性。这是换能器在不改变流量计基线的情况下变换的前提；
• 很高的信号强度和宽波使得可以在非常高的气体速度下测量（可以允许 40-80m/sec ，决定于流量计管径大小）；
• 使用高频率防止电子管等安装设备的噪声妨碍。
有好几种工具可用来设计换能器和检查结果。作为一个例子在参考文献 [4] 中介绍了干涉测量法。
3.4 声速测量
测定的声速正比于传播时间差。两个传播时间倒数求和可以得到声速。
声速是系统自诊断的非常有效的手段。由于声速依赖于温度和压力（成分非常小），所以这些值必须要知道。再加上在能量计量系统中已获取的气体组成数据，使用已知的模型（ AGA NO 10 号报告 /SDNICWare[5] ）就可以计算出声速。对比测量得到的声速和计算得到的声速数值，就可以明显看出测量系统的安全性和准确度，包括 TotalSonic 流量计。如果差异超出一个限定值，比如 0.3% 就会报警。误差和不确定度来源不容易查找到，但是系统可以很确定地表明状态完好。
另一种独立的自诊断功能可以产生于流量计，不需要使用气体组成的数据。基于管道内没有温度分配的假设，所有声道的声速会被限于一个误差限内，比如 0.1% 。
3.5 流量计结构
流量计的结构要使得超声技术应用的比现在更普遍，这是超声流量计（专利没有限定结构）总体设计目标。这些想法包括：
• 使用要简单化，包括校准；
• 跟其它测量技术（比如涡轮流量计）有相同的应用基础和接口连接；
• 不同外径结构，没有外在换能器缆线；
• 在不降低准确度的前提下，生产技术使得成本降低。
流量计表体使用钢铸件制成，这会降低生产和测试费用。精确加工保证很高的再现性。通常与焊接有关的收缩、扭曲变形、不圆整被完全避免了。流量计表体整体化组装，把所有的换能器和缆线放入封套内。
 |
| 图7—去掉外壳的4个换能器和缆线侧视图 |
这对保护换能器免受环境影响非常重要，并且它保护缆线免受运输、安装和维修中造成的破坏。
对所有 4 ″管径，流量计表体的底座长度为 3D （ D 为管道内径，下同）。这一点与其它的流量计比如涡轮流量计是一致的。因而流量计可以在相同的安装位置使用，甚至取代原先安装在那里的涡轮流量计等测量设备。
操作 4 声道流量计所需要的所有电子元件，用于信号计算和流量计通信，都安装在顶部的小盒子里。这种界面用于在一侧与流量计兼容（双脉冲输出），在另一侧与前面叙述的先进系统兼容（与前面描述的系统 Modbus 界面连接）。
流量计提供以下数据：
• 2 个独立的双向体积计数器， 2 个误差体积计数器；
• 实际条件下的体积流量；
• 管道速度、声速；
• 状态参数（只针对连续运行）。
所有的电器都是低电源设计，允许太阳能供电，包括太阳能面板适配的控制电路。
流量计的生产资质符合 ATEX 和 CSA 要求，并遵守欧洲 PED （压力设备指导）和 U.S.DOT 102 条例。欧洲许多国家的型式批准在关联交易中可以使用，并且在北美的西南研究院（ SwRI ）作了检定测试。
3.6 校准
今天，许多流量计在对外销售时附带大气压下的校准证书。在商业应用场合，常常需要价格昂贵的高压校准——有时包括完全的流量计运转。
TotalSonic 流量计提供了在大气压条件下校准的可能性（如果用户接受的话）作为那个时刻的标准校准。在操作压力下对基线进行雷诺数校正，数据可以用计算机计算出来，并且存储在系统文件中。这造成了费用上的真正节省。
AGA NO 9 号报告中 [6] 描述的程序不是真正的校准，只是把影响流量计准确度的各参数调整到它们的实际值。
对前面描述的与流量计性能有关的系统中各个组成部分，应用最新的最成熟的生产技术，在不久的将来，将会产生真正的“干校”技术。如果我们对系统各个组成部分都能成功地复现基本流量计的参数——比如测定传播时间的换能器和电子电路，再比如决定几何结构尺寸的部件象换能器和线轴元件。与基本流量计相比，在特定的安装条件下，二次表会有相同的性能。这意味着系统组成元件生产的复现性和系统组装的复现性会决定系统性能的再现性和可预知的准确度。此外，还可以节省校准费用。
很显然，这种方案还有一些缺陷。当然从技术和经济的角度来看，制造的“零”偏差是不切实际的。因此，必须有足够的允许误差。由于测量结果的数据分散，必须有统计学上要求的足够数量的测试次数。由于到目前为止这种流量计生产的数量只有很少的几百台——要想有长足的进步，就必须有更大数量的流量计用很好的实测数据来支持假设和理论计算。
4 测试结果
在过去生产了几台流量计（口径从 4 ″到 16 ″）来证明流量计性能稳定和制造工艺成熟。除了 4 ″的，所有的流量计都有 4 个声道。 4 ″的流量计用了 3 个声道。大多数这些流量计在常压和高压测试设备上进行实验，使用了不同的压力、温度和测试气体（空气、天然气）。由于这些新型的流量计也可以在常压条件下测量，直到口径大到 10 ″的这些流量计至少在 SICK 公司自己的常压测试设备上进行过测试。在 2000 年 3 月份到 2002 年 6 月份，在 Groningen 和 San Antonio 对最初的原型和后来的预生产装置进行了测试。
在那个时期内，流量计的性能和一系列的安装效果对测试地点发生作用。此外，流量计对电子管噪声的敏感性和过范围性能（在 4 ″管道上大到 83m/s ）也得到测试。对收集到的数据进行系统分析显示出了对雷诺数的依赖性。现在软件中可以实现对这种影响的校正。
这里提出的数据是这些测试的举例，它显示了有关流量计性能的一些有意义的方面。最初测试的时候没有进行雷诺数校正，后来对未修正的数据进行了再加工。为了证明对流量计紧固件的正确校正， 2002 年 6 月的最后一个测试系列中，进行了雷诺数的校正。这个测试系列覆盖了特别低的流量点。结果表明，这种校正提高了低流量测试的性能，流量计正常工作（见低流量校准）。
在 San Antonio GRI 测试设备的低压回路中分别用口径分别为 4 ″、 6 ″、 8 ″的流量计进行测试。低压回路可以提供长的，不受扰动的入口管线（大到 100D ），也可以提供典型的紊流状态（见图 8 ）。每种口径中抽出一台流量计又一次地在 Groningen “ Gas Unit Research ”测试设备上进行了测试。
图 8 —西南研究院的测试装置 图 9 —被测试流量计（ 3 台 4 ″， 3 台 6 ″）
这些测试的重点是：
• 测量准确度的确定；
• 检查逆流性能；
• 流量计对操作条件的反应；
• 流量计对扰动流的反应。
• “干校”不确定度的研究。
为了检查有关压力、温度和气体组成的流量计稳定性，进行了进一步的研究。
• “干校”结果
为了检查“干校”的准确度，每一台流量计都安装在一个接近“理想”的流动状态。这意味着在测试装置上流量计上游安装尽可能长的直管段。流体可以被理解成几乎完全发展的速度剖面。 9 台被测试的流量计性能都非常好（图 10 ）。每一个提出的数据点是 6 次重复的平均值，每次测试的时间均在 100s 以上。回路用天然气测试，压力稳定在 13bar ，温度稳定在 20 ℃。对小口径流量计，流量计误差常常落在 AGA NO 9[6] 号报告中提出的误差极限± 1% 以内。在测试流量范围内的流量加权平均误差（ FWME ）计算出来，并给出每台流量计的校正因子。因此，下一部分的测试结果常常显示流量计对理想基线校准的偏差。
| 表 1. 使用的校正因子一览表 |
 |
| 表 1 显示出计算的校正因子。在 95% 置信水平下它们的平均值和计算的标准偏差。 |
图 10 —所有流量计校正过的性能 |
由于时间和费用的限制，每种口径选用一台流量计进行了其它测试。
4.2 逆流
尽管流量计设计具有对称性，测试显示出顺流和逆流的不同的校正因子。随着流量计口径的变大，这种影响会变小。
表 2. 测试流量计逆流校正因子
这些测试结果也落在 AGA NO 9[6] 号报告中提出的误差限内。顺流和逆流时的校正因子按同一顺序表示出来（见图 11 ）。
图 11 — 4 ″流量计顺流和逆流时经调整的性能
4.3 流量条件的影响
受已发表的关于其它超声流量计声道布置下测试结果的影响，分析了流量计对流量条件的反应。测试采用 19 管束设计的流量调整器（图 12 ）和 CPA 盘（图 13 ）。 CPA 盘作为凿孔盘设计的例子。
图 12 — 4 ″管径 19 管束整流器 图 13 — 4 ″管径 ANSI CL 150CPA 50E 盘
再一次地使用“理想”流量管径分布：在上游 5D 处安装了 19 管束整流器， 8D 处安装了 CPA 50E 盘（厂家推荐）。
对流量计性能的影响小于± 0.2% ，因而可以忽略（图 14 ）。
图 14 — 4 ″管径上流量计对整流器的反应
4.4 扰动流的情况
通常在实际安装中“理想”流动情况是不可能的。流量计常常在限定的空间内操作，包括限制的上游直管段长度、阀门和弯头。选择用于试验的扰动流布置包括不在一个平面上的两个弯头，并距流量计有 13D 长度的距离（图 15 ）， 13D 被两个弯头分为 8D 和 5D 两段。因此，有可能在扰动部件和流量计之间安装整流器。
 |
| 图 15 —测试用 6 ″流量计，安装在非同一平面的两个弯头后 13D 处 |
结果表明， 4 声道断面布置对这些典型的实际流量扰动不敏感，不需要安装整流器。
图 16 — 6 ″管径流量计，扰动流情况
4.5 低流量测试
正如在前面提到的，需要在低流量提高系统误差曲线，就要把雷诺数考虑进去（见图 17 ）。因此又进行了试验证明校正的必要性。图 18 显示了流量计流速低到 0.3m/s 时的良好性能。应该指出的是，在测试过程中，由于环境温度在（ 30-40 ）℃范围内变化，要稳定测试气体温度就很困难。在非常小的流速时，结果有百分之几的离散，更长的平均时间和双倍数据点，被用来计算平均值。
图 17 — 6 ″管径流量计低流量性能
5 总结
新的能量计量系统基于众所周知的超声技术，但作了许多创新。文章不仅描述了现场应用的组合式流量计，而且介绍了包括太阳能能源和无线通信在内的整体计量系统。这使得可以远程利用它。
我们相信这个系统将会进一步促进超声流量技术的发展。
