1. 引言
超聲技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)相當(dāng)成熟完備的程度，它已廣泛被各種測試團(tuán)體接受。但是，要想在將來象其它技術(shù)，比如渦輪和孔板流量計(jì)一樣被廣泛使用，超聲流量計(jì)還有技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的具體工作要做，以期在將來占有預(yù)計(jì)的市場份額[1]。
除了眾所周知的天然氣傳輸管道中體積流量計(jì)量外，即將面臨一個(gè)大的需要，即在遙遠(yuǎn)、任意的地點(diǎn)，比如生產(chǎn)地、集輸線上測量天然氣的能量含量。
這篇文章描述一個(gè)整體的天然氣能量測量的系統(tǒng)。它的基礎(chǔ)是一臺(tái)用于財(cái)務(wù)、貿(mào)易結(jié)算的新型超聲流量計(jì)。這種流量計(jì)被設(shè)計(jì)成在傳統(tǒng)的超聲測量點(diǎn)使用，跟在現(xiàn)場使用一樣。真正的現(xiàn)場今天反而不使用超聲流量計(jì)了。整個(gè)系統(tǒng)的功能，如在太陽能驅(qū)動(dòng)下操作，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸，無線通訊技術(shù)，使得它非常適合遠(yuǎn)程地區(qū)。除了超聲流量計(jì)方面眾所周知的優(yōu)點(diǎn)外，該系統(tǒng)在聲速檢查的基礎(chǔ)上提供了一種真實(shí)的自診斷功能，因此它滿足了系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用的特征。它對降低與流量計(jì)維護(hù)修理有關(guān)的人力費(fèi)用非常重要，將會(huì)保證測量數(shù)據(jù)有較好的可信度。
2 應(yīng)用超聲流量測量技術(shù)的能量計(jì)量系統(tǒng)
在世界范圍內(nèi)，天然氣是以能量單位買賣的。在天然氣管線中，現(xiàn)在還沒有直接測量能量的獨(dú)立的流量計(jì)。能量計(jì)量系統(tǒng)由測量體積流量的氣體流量計(jì)、帶有自動(dòng)采樣器的氣體組成分析設(shè)備組成，并普遍使用積算儀。應(yīng)用于能量計(jì)量系統(tǒng)中的氣體流量測定技術(shù)包括從簡單的孔板、渦輪流量計(jì)直到最新的“超聲氣體流量計(jì)”。
這里描述的系統(tǒng)利用了各組成部分均低能源消耗的長處，使得系統(tǒng)可以完全由太陽能充電的電池驅(qū)動(dòng)。作為選擇，交流和直流電源均可以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各組成部分。
2.1 系統(tǒng)描述
要確定天然氣的能量需要描述于圖1中的系統(tǒng)和它的各個(gè)組成部分以及其它儀器儀表。各主要部分在下面介紹。
圖1-天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)
測量體積流量的流量計(jì)
這里建議的能量計(jì)量系統(tǒng)使用圖2所示的集成式的，可以長時(shí)間連續(xù)工作的超聲流量計(jì)。傳感器技術(shù)中使用小型化的超聲換能器，它具有非常小的壓力、溫度影響的交叉敏感度。這可以使流量計(jì)在一個(gè)很寬的溫度范圍和低到大氣壓的很寬的壓力范圍內(nèi)操作。
管路交匯處分布超聲通道，當(dāng)?shù)貧怏w流速信息從聲道獲得。綜合實(shí)際流速分布，就可以確定體積流量。利用這些信息，再把流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸特征考慮進(jìn)來，由隨車攜帶的計(jì)算機(jī)處理。有關(guān)實(shí)際測定的流速、管道速度、聲速和計(jì)算出的體積通過數(shù)字通信界面?zhèn)飨蛳到y(tǒng)流量計(jì)算機(jī)。
集成的超聲氣體流量計(jì)（圖2）由于沒有可動(dòng)部件因而本質(zhì)上無需維修。包括遠(yuǎn)程診斷在內(nèi)的寬范圍的通信選項(xiàng)減少了總體需要的維修。
圖2-TotalSonic超升流量計(jì)
此外的流量計(jì)信息諸如管速、聲速和診斷信息借助系列通信界面都可以得到。
BTU能量分析儀
BTU分析儀基于氣相色譜原理。設(shè)備自動(dòng)地從管線中采集氣體樣品并進(jìn)行分析，在貿(mào)易結(jié)算要求的精度內(nèi)確定它的分子組成和熱值。這些相關(guān)的信息被用來計(jì)算氣體密度、超壓縮因子和它的發(fā)熱量。使用這種氣體分析的先進(jìn)設(shè)備，氣體組成的分析數(shù)據(jù)可以在幾分鐘內(nèi)得到。隨車攜帶的控制儀將會(huì)存儲(chǔ)分析結(jié)果。日后這些數(shù)據(jù)可以由系統(tǒng)計(jì)算機(jī)調(diào)出來使用。當(dāng)完成一個(gè)新的分析后，這些存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以得到更新，整個(gè)過程大約3分鐘。
符合MODBUS協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)系列通信接口（RS232、RS422和RS485）使得流量計(jì)算機(jī)可以非常容易地訪問最新氣體分析數(shù)據(jù)。管理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)使用人-機(jī)對話界面（MMI）。有3個(gè)遠(yuǎn)程的和1個(gè)當(dāng)?shù)氐耐ㄐ沤涌凇Ｏ到y(tǒng)支持的通信協(xié)議包括遠(yuǎn)程/當(dāng)?shù)厝藱C(jī)對話界面，到打印機(jī)/控制臺(tái)的工程界面，ASCⅡ（HCIA）主機(jī)界面，Modbus、DSFG和PTB打印輸出。
總體的設(shè)計(jì)模式把所需要的平均維修時(shí)間從幾周減少到幾小時(shí)。使用數(shù)字技術(shù)兩次校準(zhǔn)之間需要的時(shí)間已擴(kuò)展到幾個(gè)月。
系統(tǒng)流量計(jì)算機(jī)
流量計(jì)算機(jī)是計(jì)量系統(tǒng)的中央處理單元。它訪問從氣體分析儀得到的最新的分析數(shù)據(jù)。從流量計(jì)獲得流速信息，包括壓力和溫度讀數(shù)，使用獲準(zhǔn)的和當(dāng)?shù)赜?jì)量部門認(rèn)可的（比如AGA、PTB、NMI）計(jì)算方法，天然氣中的能量就可以計(jì)算出來。
流量計(jì)算機(jī)的功能包括在用戶選擇的時(shí)間間隔內(nèi)獲取和存儲(chǔ)臨界數(shù)據(jù)。所有已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以應(yīng)用流量計(jì)算機(jī)的通信選項(xiàng)遠(yuǎn)程訪問。可用的通信選項(xiàng)是借助調(diào)制解調(diào)器、無線電、通信衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)電話線。
可以在固定的或移動(dòng)的PC機(jī)上運(yùn)行的適應(yīng)性很強(qiáng)的軟件被用來就地或遠(yuǎn)程與流量計(jì)算機(jī)通信、監(jiān)控、獲取數(shù)據(jù)和診斷。
2.2 通信界面和數(shù)據(jù)傳輸
系統(tǒng)流量計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)氣體分析儀系列通信。TotalflowBtu8000型氣體分析儀和大多數(shù)其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)氣相色譜儀及分析設(shè)備都符合Modbus協(xié)議。流量計(jì)算機(jī)從系統(tǒng)分析儀存儲(chǔ)器中調(diào)取需要的數(shù)據(jù)。如果沒有在線的氣體分析儀，需要的信息可以手工輸入進(jìn)流量計(jì)算機(jī)，并在有了新的數(shù)據(jù)時(shí)予以更新。
使用超聲流量計(jì)狀態(tài)參數(shù)時(shí)，最好能通過系列通信界面連接到流量計(jì)算機(jī)。TotalSonic和許多在氣體計(jì)量工業(yè)中應(yīng)用的超聲流量計(jì)都符合Modbus協(xié)議。同時(shí)提供了到其它形式的氣體流量計(jì)的脈沖和模擬流量計(jì)量界面。
所有數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以用戶自己選擇的時(shí)間間隔存儲(chǔ)在流量計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單元中，確保不會(huì)丟失。如圖3中所示，這些信息，包括最新的文件，系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)都可應(yīng)用調(diào)制解調(diào)器、無線電、通信衛(wèi)星等當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)程的通信界面進(jìn)行訪問。
圖3-與共同的網(wǎng)絡(luò)和/或互聯(lián)網(wǎng)通信
2.3系統(tǒng)安全檢查
為了保證系統(tǒng)正確的操作和得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的每一組成部分都需要符合設(shè)定的規(guī)范。因此，每一測量設(shè)備都進(jìn)行許多操作和狀態(tài)檢查。如果系統(tǒng)出了問題或需要維修，每一組成部分都與系統(tǒng)中央單元通信，這樣就有可能管理和/或監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的每一組成部分可以與當(dāng)?shù)睾?或遠(yuǎn)程診斷軟件溝通決定系統(tǒng)狀態(tài)和分析問題。
控制系統(tǒng)性能的一個(gè)簡單和有效的方法是通過從TotalSonic超聲流量計(jì)得到的聲速信息和根據(jù)氣體分析儀氣體組成分析數(shù)據(jù)計(jì)算得到的天然氣中的聲速。為了實(shí)施計(jì)算功能，可以使用一種商業(yè)上可行的軟件包，或經(jīng)過許可的并已編程的AGANO10[2]號(hào)報(bào)告中描述的方法。這些計(jì)算和比較可以按預(yù)定的時(shí)間間隔或連續(xù)地實(shí)施，并且用戶設(shè)置偏差和極限來觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)來表明系統(tǒng)性能出現(xiàn)了問題。
3 TotalSonic超聲流量計(jì)的描述
3.1 操作原理
TotalSonic流量計(jì)應(yīng)用著名的傳播時(shí)間測量的原理。在表體內(nèi)安裝超聲傳感器，由它來確定通過通道，與氣體流動(dòng)方向成60°角度。
圖4-傳播時(shí)間測量的原理
為了在不同的安裝條件下得到很高的準(zhǔn)確度，開始使用多聲道測量，并且體積流量通過各聲道流速的加權(quán)求和得到。
3.2聲道斷面圖
聲道在斷面上的布置結(jié)構(gòu)對流量計(jì)的性能有很重要的影響。已經(jīng)有很多不同聲道斷面的文章發(fā)表，典型的為3-6個(gè)聲道，其中應(yīng)用了直接傳播和反彈聲道技術(shù)。
對于TotalSonic流量計(jì)（圖5），選擇使用了4聲道斷面布置。這一點(diǎn)與Whyler[3]建議的非常相似。
圖5-TotalSonic流量計(jì)聲道斷面圖
有幾個(gè)原因支持使用非反彈多聲道斷面布置的想法：
? SICK公司（見后面）發(fā)展起來的高精度測量時(shí)間的換能器技術(shù)不需要擴(kuò)展聲道長度。這種測量在總不確定度的貢獻(xiàn)小于10%--在大口徑時(shí)就更小；
? 不采用彈性聲道的技術(shù)消除了管內(nèi)的反射點(diǎn)。這一點(diǎn)可以改變它的一些特征，比如因雜質(zhì)或管壁粗糙程度而產(chǎn)生了附加不確定度的特征。表體的機(jī)械加工被簡化了，因而降低了生產(chǎn)成本；
? 反射的避免節(jié)約了聲能。這使得可以減小電源輸入，允許在所有的操作條件下包括大氣壓、氣體低密度（H2）或高聲能衰減（CO2）等運(yùn)行更大口徑的流量計(jì)；
? 這種特殊的聲道斷面布置結(jié)構(gòu)可以很好地補(bǔ)償（但不測量）由于旋渦流引起的測量偏差。這一點(diǎn)通過高壓、常壓下大量試驗(yàn)已得到證實(shí)；
? 采用4聲道，并且具有補(bǔ)償旋渦流功能的聲道布置結(jié)構(gòu)的流量計(jì)，比采用6聲道，但可以獨(dú)立測量旋渦流補(bǔ)償?shù)牧髁坑?jì)節(jié)省了成本。這一點(diǎn)使得超聲技術(shù)的成本比較接近于機(jī)械技術(shù)。
3.3 換能器技術(shù)
眾所周知，換能器是超聲流量計(jì)的核心和起決定性作用的部件。大多數(shù)現(xiàn)在應(yīng)用的換能器采用所謂聲學(xué)匹配層來與氣體阻抗和固體表體匹配。
SICK/ABB的換能器技術(shù)基于全金屬設(shè)計(jì)，不使用任何匹配層（圖6）。這種阻抗的匹配通過完全用鈦制造的聲能變壓器的特別設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)工藝基于兩個(gè)要點(diǎn)：
1.20年的換能器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)用于控制發(fā)射的高熱可燃性氣體流量計(jì)量系統(tǒng)中；
2.強(qiáng)大的理論支持--所有的換能器使用FEM方法和電機(jī)轉(zhuǎn)換技術(shù)，從理論上建立了模型。
圖6-換能器
特別的換能器設(shè)計(jì)促進(jìn)了以下方面的進(jìn)展：
? 換能器小型化使得前面描述的聲道斷面布置結(jié)構(gòu)適用于小口徑（3″和4″），這樣流量計(jì)可以造的很緊湊；
? 傳播時(shí)間的高精度測量使得60°安裝成為可能--這使得換能器端口或換能器突入流體的部件造成的紊亂得以減小；
? 金屬聲能變壓器具有高效性--使得流量計(jì)可以在常壓和高到100bar的高壓下用同一種類型的換能器操作；
? 理論模型允許對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行有效的控制。這使得壓力和溫度不依賴于換能器性能，不需要進(jìn)行補(bǔ)償；
? 不使用匹配層和溫度敏感膠的作法允許系統(tǒng)在高達(dá)200℃的溫度下操作；
? 換能器機(jī)械制造的高再現(xiàn)性保障了傳播時(shí)間測量的高再現(xiàn)性。這是換能器在不改變流量計(jì)基線的情況下變換的前提；
? 很高的信號(hào)強(qiáng)度和寬波使得可以在非常高的氣體速度下測量（可以允許40-80m/sec，決定于流量計(jì)管徑大小）；
? 使用高頻率防止電子管等安裝設(shè)備的噪聲妨礙。
有好幾種工具可用來設(shè)計(jì)換能器和檢查結(jié)果。作為一個(gè)例子在參考文獻(xiàn)[4]中介紹了干涉測量法。
3.4 聲速測量
測定的聲速正比于傳播時(shí)間差。兩個(gè)傳播時(shí)間倒數(shù)求和可以得到聲速。
聲速是系統(tǒng)自診斷的非常有效的手段。由于聲速依賴于溫度和壓力（成分非常小），所以這些值必須要知道。再加上在能量計(jì)量系統(tǒng)中已獲取的氣體組成數(shù)據(jù)，使用已知的模型（AGANO10號(hào)報(bào)告/SDNICWare[5]）就可以計(jì)算出聲速。對比測量得到的聲速和計(jì)算得到的聲速數(shù)值，就可以明顯看出測量系統(tǒng)的安全性和準(zhǔn)確度，包括TotalSonic流量計(jì)。如果差異超出一個(gè)限定值，比如0.3%就會(huì)報(bào)警。誤差和不確定度來源不容易查找到，但是系統(tǒng)可以很確定地表明狀態(tài)完好。
另一種獨(dú)立的自診斷功能可以產(chǎn)生于流量計(jì)，不需要使用氣體組成的數(shù)據(jù)。基于管道內(nèi)沒有溫度分配的假設(shè)，所有聲道的聲速會(huì)被限于一個(gè)誤差限內(nèi)，比如0.1%。
3.5 流量計(jì)結(jié)構(gòu)
流量計(jì)的結(jié)構(gòu)要使得超聲技術(shù)應(yīng)用的比現(xiàn)在更普遍，這是超聲流量計(jì)（專利沒有限定結(jié)構(gòu)）總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。這些想法包括：
? 使用要簡單化，包括校準(zhǔn)；
? 跟其它測量技術(shù)（比如渦輪流量計(jì)）有相同的應(yīng)用基礎(chǔ)和接口連接；
? 不同外徑結(jié)構(gòu)，沒有外在換能器纜線；
? 在不降低準(zhǔn)確度的前提下，生產(chǎn)技術(shù)使得成本降低。
流量計(jì)表體使用鋼鑄件制成，這會(huì)降低生產(chǎn)和測試費(fèi)用。精確加工保證很高的再現(xiàn)性。通常與焊接有關(guān)的收縮、扭曲變形、不圓整被完全避免了。流量計(jì)表體整體化組裝，把所有的換能器和纜線放入封套內(nèi)。
圖7-去掉外殼的4個(gè)換能器和纜線側(cè)視圖
這對保護(hù)換能器免受環(huán)境影響非常重要，并且它保護(hù)纜線免受運(yùn)輸、安裝和維修中造成的破壞。
對所有4″管徑，流量計(jì)表體的底座長度為3D（D為管道內(nèi)徑，下同）。這一點(diǎn)與其它的流量計(jì)比如渦輪流量計(jì)是一致的。因而流量計(jì)可以在相同的安裝位置使用，甚至取代原先安裝在那里的渦輪流量計(jì)等測量設(shè)備。
操作4聲道流量計(jì)所需要的所有電子元件，用于信號(hào)計(jì)算和流量計(jì)通信，都安裝在頂部的小盒子里。這種界面用于在一側(cè)與流量計(jì)兼容（雙脈沖輸出），在另一側(cè)與前面敘述的先進(jìn)系統(tǒng)兼容（與前面描述的系統(tǒng)Modbus界面連接）。
流量計(jì)提供以下數(shù)據(jù)：
? 2個(gè)獨(dú)立的雙向體積計(jì)數(shù)器，2個(gè)誤差體積計(jì)數(shù)器；
? 實(shí)際條件下的體積流量；
? 管道速度、聲速；
? 狀態(tài)參數(shù)（只針對連續(xù)運(yùn)行）。
所有的電器都是低電源設(shè)計(jì)，允許太陽能供電，包括太陽能面板適配的控制電路。
流量計(jì)的生產(chǎn)資質(zhì)符合ATEX和CSA要求，并遵守歐洲PED（壓力設(shè)備指導(dǎo)）和U.S.DOT102條例。歐洲許多國家的型式批準(zhǔn)在關(guān)聯(lián)交易中可以使用，并且在北美的西南研究院（SwRI）作了檢定測試。
3.6校準(zhǔn)
今天，許多流量計(jì)在對外銷售時(shí)附帶大氣壓下的校準(zhǔn)證書。在商業(yè)應(yīng)用場合，常常需要價(jià)格昂貴的高壓校準(zhǔn)--有時(shí)包括完全的流量計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)。
TotalSonic流量計(jì)提供了在大氣壓條件下校準(zhǔn)的可能性（如果用戶接受的話）作為那個(gè)時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。在操作壓力下對基線進(jìn)行雷諾數(shù)校正，數(shù)據(jù)可以用計(jì)算機(jī)計(jì)算出來，并且存儲(chǔ)在系統(tǒng)文件中。這造成了費(fèi)用上的真正節(jié)省。
AGANO9號(hào)報(bào)告中[6]描述的程序不是真正的校準(zhǔn)，只是把影響流量計(jì)準(zhǔn)確度的各參數(shù)調(diào)整到它們的實(shí)際值。
對前面描述的與流量計(jì)性能有關(guān)的系統(tǒng)中各個(gè)組成部分，應(yīng)用最新的最成熟的生產(chǎn)技術(shù)，在不久的將來，將會(huì)產(chǎn)生真正的“干校”技術(shù)。如果我們對系統(tǒng)各個(gè)組成部分都能成功地復(fù)現(xiàn)基本流量計(jì)的參數(shù)--比如測定傳播時(shí)間的換能器和電子電路，再比如決定幾何結(jié)構(gòu)尺寸的部件象換能器和線軸元件。與基本流量計(jì)相比，在特定的安裝條件下，二次表會(huì)有相同的性能。這意味著系統(tǒng)組成元件生產(chǎn)的復(fù)現(xiàn)性和系統(tǒng)組裝的復(fù)現(xiàn)性會(huì)決定系統(tǒng)性能的再現(xiàn)性和可預(yù)知的準(zhǔn)確度。此外，還可以節(jié)省校準(zhǔn)費(fèi)用。
很顯然，這種方案還有一些缺陷。當(dāng)然從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度來看，制造的“零”偏差是不切實(shí)際的。因此，必須有足夠的允許誤差。由于測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分散，必須有統(tǒng)計(jì)學(xué)上要求的足夠數(shù)量的測試次數(shù)。由于到目前為止這種流量計(jì)生產(chǎn)的數(shù)量只有很少的幾百臺(tái)--要想有長足的進(jìn)步，就必須有更大數(shù)量的流量計(jì)用很好的實(shí)測數(shù)據(jù)來支持假設(shè)和理論計(jì)算。
4 測試結(jié)果
在過去生產(chǎn)了幾臺(tái)流量計(jì)（口徑從4″到16″）來證明流量計(jì)性能穩(wěn)定和制造工藝成熟。除了4″的，所有的流量計(jì)都有4個(gè)聲道。4″的流量計(jì)用了3個(gè)聲道。大多數(shù)這些流量計(jì)在常壓和高壓測試設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用了不同的壓力、溫度和測試氣體（空氣、天然氣）。由于這些新型的流量計(jì)也可以在常壓條件下測量，直到口徑大到10″的這些流量計(jì)至少在SICK公司自己的常壓測試設(shè)備上進(jìn)行過測試。在2000年3月份到2002年6月份，在Groningen和SanAntonio對最初的原型和后來的預(yù)生產(chǎn)裝置進(jìn)行了測試。
在那個(gè)時(shí)期內(nèi)，流量計(jì)的性能和一系列的安裝效果對測試地點(diǎn)發(fā)生作用。此外，流量計(jì)對電子管噪聲的敏感性和過范圍性能（在4″管道上大到83m/s）也得到測試。對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析顯示出了對雷諾數(shù)的依賴性。現(xiàn)在軟件中可以實(shí)現(xiàn)對這種影響的校正。
這里提出的數(shù)據(jù)是這些測試的舉例，它顯示了有關(guān)流量計(jì)性能的一些有意義的方面。最初測試的時(shí)候沒有進(jìn)行雷諾數(shù)校正，后來對未修正的數(shù)據(jù)進(jìn)行了再加工。為了證明對流量計(jì)緊固件的正確校正，2002年6月的最后一個(gè)測試系列中，進(jìn)行了雷諾數(shù)的校正。這個(gè)測試系列覆蓋了特別低的流量點(diǎn)。結(jié)果表明，這種校正提高了低流量測試的性能，流量計(jì)正常工作（見低流量校準(zhǔn)）。
在SanAntonioGRI測試設(shè)備的低壓回路中分別用口徑分別為4″、6″、8″的流量計(jì)進(jìn)行測試。低壓回路可以提供長的，不受擾動(dòng)的入口管線（大到100D），也可以提供典型的紊流狀態(tài)（見圖8）。每種口徑中抽出一臺(tái)流量計(jì)又一次地在Groningen“GasUnitResearch”測試設(shè)備上進(jìn)行了測試。
圖8-西南研究院的測試裝置圖9-被測試流量計(jì)（3臺(tái)4″，3臺(tái)6″）
這些測試的重點(diǎn)是：
? 測量準(zhǔn)確度的確定；
? 檢查逆流性能；
? 流量計(jì)對操作條件的反應(yīng)；
? 流量計(jì)對擾動(dòng)流的反應(yīng)。
? “干校”不確定度的研究。
為了檢查有關(guān)壓力、溫度和氣體組成的流量計(jì)穩(wěn)定性，進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。
4.1 “干校”結(jié)果
為了檢查“干校”的準(zhǔn)確度，每一臺(tái)流量計(jì)都安裝在一個(gè)接近“理想”的流動(dòng)狀態(tài)。這意味著在測試裝置上流量計(jì)上游安裝盡可能長的直管段。流體可以被理解成幾乎完全發(fā)展的速度剖面。9臺(tái)被測試的流量計(jì)性能都非常好（圖10）。每一個(gè)提出的數(shù)據(jù)點(diǎn)是6次重復(fù)的平均值，每次測試的時(shí)間均在100s以上。回路用天然氣測試，壓力穩(wěn)定在13bar，溫度穩(wěn)定在20℃。對小口徑流量計(jì)，流量計(jì)誤差常常落在AGANO9[6]號(hào)報(bào)告中提出的誤差極限±1%以內(nèi)。在測試流量范圍內(nèi)的流量加權(quán)平均誤差（FWME）計(jì)算出來，并給出每臺(tái)流量計(jì)的校正因子。因此，下一部分的測試結(jié)果常常顯示流量計(jì)對理想基線校準(zhǔn)的偏差。
表1.使用的校正因子一覽表
表1顯示出計(jì)算的校正因子。在95%置信水平下它們的平均值和計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
圖10-所有流量計(jì)校正過的性能
由于時(shí)間和費(fèi)用的限制，每種口徑選用一臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行了其它測試。
4.2逆流
盡管流量計(jì)設(shè)計(jì)具有對稱性，測試顯示出順流和逆流的不同的校正因子。隨著流量計(jì)口徑的變大，這種影響會(huì)變小。
表2.測試流量計(jì)逆流校正因子
這些測試結(jié)果也落在AGANO9[6]號(hào)報(bào)告中提出的誤差限內(nèi)。順流和逆流時(shí)的校正因子按同一順序表示出來（見圖11）。
圖11-4″流量計(jì)順流和逆流時(shí)經(jīng)調(diào)整的性能
4.3流量條件的影響
受已發(fā)表的關(guān)于其它超聲流量計(jì)聲道布置下測試結(jié)果的影響，分析了流量計(jì)對流量條件的反應(yīng)。測試采用19管束設(shè)計(jì)的流量調(diào)整器（圖12）和CPA盤（圖13）。CPA盤作為鑿孔盤設(shè)計(jì)的例子。
圖12-4″管徑19管束整流器 圖13-4″管徑ANSICL150CPA50E盤
再一次地使用“理想”流量管徑分布：在上游5D處安裝了19管束整流器，8D處安裝了CPA50E盤（廠家推薦）。
對流量計(jì)性能的影響小于±0.2%，因而可以忽略（圖14）。
圖14-4″管徑上流量計(jì)對整流器的反應(yīng)
4.4擾動(dòng)流的情況
通常在實(shí)際安裝中“理想”流動(dòng)情況是不可能的。流量計(jì)常常在限定的空間內(nèi)操作，包括限制的上游直管段長度、閥門和彎頭。選擇用于試驗(yàn)的擾動(dòng)流布置包括不在一個(gè)平面上的兩個(gè)彎頭，并距流量計(jì)有13D長度的距離（圖15），13D被兩個(gè)彎頭分為8D和5D兩段。因此，有可能在擾動(dòng)部件和流量計(jì)之間安裝整流器。
圖15-測試用6″流量計(jì)，安裝在非同一平面的兩個(gè)彎頭后13D處
結(jié)果表明，4聲道斷面布置對這些典型的實(shí)際流量擾動(dòng)不敏感，不需要安裝整流器。
圖16-6″管徑流量計(jì)，擾動(dòng)流情況
4.5低流量測試
正如在前面提到的，需要在低流量提高系統(tǒng)誤差曲線，就要把雷諾數(shù)考慮進(jìn)去（見圖17）。因此又進(jìn)行了試驗(yàn)證明校正的必要性。圖18顯示了流量計(jì)流速低到0.3m/s時(shí)的良好性能。應(yīng)該指出的是，在測試過程中，由于環(huán)境溫度在（30-40）℃范圍內(nèi)變化，要穩(wěn)定測試氣體溫度就很困難。在非常小的流速時(shí)，結(jié)果有百分之幾的離散，更長的平均時(shí)間和雙倍數(shù)據(jù)點(diǎn)，被用來計(jì)算平均值。
圖17-6″管徑流量計(jì)低流量性能
5 現(xiàn)場安裝
在流量計(jì)的整個(gè)發(fā)展過程中，安裝在德國Kirchheilingen地下儲(chǔ)存設(shè)備“VerbundnetzGasAG”上的流量計(jì)（圖18）被用來總結(jié)現(xiàn)場安裝影響的更多的經(jīng)驗(yàn)。這種應(yīng)用提供了一個(gè)流量和壓力的系列情況。在變化的壓力（介于20到52bar）下，試驗(yàn)一個(gè)很大的流量范圍度，而且也在沒有氣體流過時(shí)試驗(yàn)。最早的原型流量計(jì)安裝于2000年春天，這臺(tái)8″口徑，3聲道流量計(jì)穩(wěn)定工作兩年多時(shí)間。
圖18-安裝于Kirchheilingen的流量計(jì)
從2001年8月開始，安裝了一臺(tái)6″和一臺(tái)8″流量計(jì)并投入使用（圖19）。兩臺(tái)流量計(jì)都用Elster渦輪流量計(jì)做參考。現(xiàn)在，這個(gè)流量計(jì)系統(tǒng)中安裝了一臺(tái)ABB流量計(jì)算機(jī)。所有的流量計(jì)對計(jì)算機(jī)脈沖輸出，此外，超聲流量計(jì)通過RS485MODBUS界面與流量計(jì)算機(jī)通信。流量計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，并對三臺(tái)流量計(jì)求平均值。每過100s每臺(tái)流量計(jì)的流量數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)一次。同時(shí)，每臺(tái)超聲流量計(jì)對渦輪流量計(jì)的偏差也計(jì)算出來并存儲(chǔ)。超聲流量計(jì)通過MODBUS界面提供流速、聲速等診斷信息，獲得每一聲道的信噪比，通過與流量計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通信（設(shè)計(jì)了無線通信裝置），就可以很容易地對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程安全檢查。
圖19-系統(tǒng)布置
在最后一個(gè)月里，進(jìn)行了幾次“重復(fù)性”測試。流量在可能的最小值和最大值之間變化。如圖20和圖21中所示，一臺(tái)8″和一臺(tái)6″流量計(jì)的長期重復(fù)性常常高于±0.4%。階段性用眼睛檢查換能器可以看出隔膜臟污情況。普通的高碳數(shù)烴類蠟造成污染。從上游來的非常小的碳粒子相當(dāng)于在管路中安裝了過濾器。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在用激光多普勒風(fēng)速計(jì)測定流速分布時(shí)的示蹤粒子也在隔膜上造成臟污。很明顯，雜質(zhì)對換能器的性能沒有影響。
圖20-Kirchheilingen安裝的6″流量計(jì)
圖21-Kirchheilingen安裝的8″流量計(jì)
6 總結(jié)
新的能量計(jì)量系統(tǒng)基于眾所周知的超聲技術(shù)，但作了許多創(chuàng)新。文章不僅描述了現(xiàn)場應(yīng)用的組合式流量計(jì)，而且介紹了包括太陽能能源和無線通信在內(nèi)的整體計(jì)量系統(tǒng)。這使得可以遠(yuǎn)程利用它。
我們相信這個(gè)系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)超聲流量技術(shù)的發(fā)展。
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