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1、天然气计量技术讲座,气体超声流量计,丹尼尔超声波流量计的发展历史,八十年代初期,英国煤气公司开始研发四通道的超声波流量计1986:英国煤气公司授权Daniel公司作为唯一的开发商,进一步开发该类型流量计的工业领域的应用1989:第一台模拟电路超声波流量计顺利出厂,在英国开始销售并用于商业计量1993:DANIEL公司采样自动增益控制和数字信号处理技术改善了流量计的电子单元,提高了信号的保真度和流量计的精度1994:DANIEL引入防爆的Mark II电子处理装置,丹尼尔超声波流量计的发展历史,1998:DANIEL开发出可在线拆装的超声波探头器并可提供在线带压拆装工具2000:中油西南分公司采
2、用7台DANIEL高级超声波流量计用于贸易计量，向重庆和四川的大型天然气用户供气。2001：大庆油田天然气公司采用7台DANIEL 中级超声波流量计用于储气库和内部管线计量。,丹尼尔气体超声波流量计,特点及技术规范,高精度：精度+/-0.1%(经过时流标定）专用于贸易交接多通道可检测流体的多个剖面多通道提供了必要的冗余能力，独特的声道替补技术使流量计在某一声道故障的情况下，仍能基本正常工作精确的设计和在加工制造过程中的质量控制声速,温度,气体运行状况的测量是相对独立的特别适用于高压气体,一般最低工作压力为67 bar 常见流量计的直径,100mm-900mm(4”-36”)最高压力可达ANSI
3、#2500(约42MPa),超声流量计测量原理,气体超声波流量计是利用超声脉冲在气流中传播的速度与气流的速度有对应的关系，即顺流时的超声脉冲传播速度比逆流时传播的速度要快，这两种超声脉冲传播的时间差越大，则流量也越大的原理。在实际工作过程中，处在上下游的换能器将同时发射超声波脉冲，显然一个是逆流传播，一个是顺流传播。气流的作用将使两束脉冲以不同的传播时间到达接收换能器。由于两束脉冲传播的实际路程相同，传输时间的不同直接反映了气体流速的大小。利用如下公式，即可通过时间的检测得到气流的流速：,气体超声流量测量的简化几何关系,超声流量计测量原理,超声流量计测量原理,式中：tD顺流传播时间，s；tU逆
4、流传播时间，s；L声道长度，m；C 声速，m/s；v 气体沿气流方向平均流速，m/s；超声波脉冲的倾斜角，rad；气体在流动工作状态条件下单位时间的体积流量qv为：qv=AV式中：A为管道内截面积。当管道内流体属于对称分布，无旋涡存在时，流体动力系数k值与管道中气体流动工作状态条件下的雷诺数有关。由上述推导可看出，流量的准确计算是由通过时间的准确测量来保证的。只要精确测量出时间就可以保证测量精度。超声流量计由于采用了高速数字处理电路技术，从而能检测出微秒级的微小时间差，计时精度达到毫微秒级，因而使测量的分辨率可达1mm/s，并且无示值漂移，重复性非常高。从上式也可看出，体积流量的测量准确度决定
5、于三方面：时间差，结构参数L、A、等的测量误差和仪表动力系数k的准确度。式中：tD顺流传播时间，s；,超声流量计测量原理,tD顺流传播时间，s；tU逆流传播时间，s；L声道长度，m；C 声速，m/s；v 气体沿气流方向平均流速，m/s；超声波脉冲的倾斜角，rad；气体在流动工作状态条件下单位时间的体积流量qv为：qv=AV式中：A为管道内截面积。当管道内流体属于对称分布，无旋涡存在时，流体动力系数k值与管道中气体流动工作状态条件下的雷诺数有关。由上述推导可看出，流量的准确计算是由通过时间的准确测量来保证的。只要精确测量出时间就可以保证测量精度。超声流量计由于采用了高速数字处理电路技术，从而能检
6、测出微秒级的微小时间差，计时精度达到毫微秒级，因而使测量的分辨率可达1mm/s，并且无示值漂移，重复性非常高。从上式也可看出，体积流量的测量准确度决定于三方面：时间差，结构参数L、A、等的测量误差和仪表动力系数k的准确度。,超声流量计的结构,气体超声流量计的结构主要取决于以下几个方面：（1）声波探头的设置方式。外置式或内置接触式，气体超声流量计一般采用将接收和发射换能器插入管内至内壁边缘。（2）声波的接收方式。直射式：直接接收发射探头的声波 反射式：接收经管壁反射以后的声波。即接收换能器不是直接接收发射换能器发出的声波，而是接收经管壁一次反射或再次反射回的声波。（3）声道的设置。单声道和多声道
7、。不论是单声道还是多声道气体超声流量计，其声波的发送与接收原理是一样的。不同的是在不同声程上所测的线速度对管道截面的流速的呈现不同。,超声流量计的组成,超声流量计主要由以下两部分组成：流量计表体、超声换能器及其安装部件，它们直接与被测介质接触；信号处理单元（SPU）：由电子元件和微处理器系统组成。它接受超声换能器的信号，且具有处理测量信号和显示、输出及记录测量结果等功能。位于现场的电信号处理及转换部分安装在转换器内。,超声波流量计的基本原理,用于天然气流量测量的超声流量计使用的是时间差法。图1 为直射式超声流量计的工作原理示意图。在管壁两边安装一对斜角为的超声换能器，两个换能器同时或定时向对方
8、发射和接收对方的超声信号。,图1 工作原理图,超声波流量计探头,图2 超声探头工作原理图,时间直通式原理的技术特点,声波由一个探头发射另一个接收，不经管壁反射声波由上游向下游传输的时间(由于声波被气流推动)小于声波由下游向上游传输的时间(声波被气流反向阻挡)这两个时间之差与气流的速度存在某种对于关系 从上下游测得的传输时间可以计算出气流的平均速度和声波的速度,时间直通式测量原理的精确性,电子时钟的稳定性连续测量与流体状态相关的声波脉冲对电子元件和传感器引起的信号滞后给予恰当的补偿,脉冲发生器,接收单元,检测单元,时钟,本安型传感器信号检测回路,100 MHz 晶振,120 kHz 超声波信号,
9、(大大给予调节阀的干扰频率60 kHz),时间直通式测量原理,传输时间.004,L,Flow,X,D,传输时间.007,.003,超声波流量计,任 意 一 对 传 感 器,t1=,L,c-v(x/L),t2=,L,c+v(x/L),L,Flow,X,D,高级超声波流量计流量方程,或,流量从上述方程中求出,v=,L,2x,(t1-t2),t,1,t,2,c=,L,2,(t,1,+t,2,),t,1,t,2,v=流体速度,c=声速,t,1,=上游传输时间,t,2,=下游传输时间,2,流量方程,或,L(X)=上下游换能器之间的距离,多通道即多路流速测量!,多通道流量计,A,B,C,D,V,avg,=
10、,S,W,n,V,n,n=1,4,V,n,=,L(t,1,-t,2,),2x(t,1,t,2,),2,超声波流量计的计算,权重因子仅取决于探头的几何分布情况!,W,a,=0.1382,W,b,=0.3618,W,c,=0.3618,W,d,=0.1382,多通道流量计,A,B,C,D,几何权重因子,流量与流体的流速和截面积有关,流量=流速*截面积,流速测量,式中：q流体在管道中的工况流量；A管道横截面积。由此可见，超声流量计的测量精度取决于声道长度L和时间测量准确度。,Tup=,L,c-v(x/L),Tdn=,L,c+v(x/L),Flow,X,D,L/2,L/2,反射型超声波流量计流量方程,
11、单通道流量计,单声道超声波流量计的计算,对单通道和双通道流量计来说,CF=矫正系数WR=管壁粗糙度Re=雷诺数,流态剖面流态矫正,四通道流量计,气体高级超声波流量计,多通道流量计算,流量计算的步骤测量每个通道的声波传输时间计算每个通道的速度计算平均速度流速乘以截面积,流量计算准确的关键问题,流量流速测量的结果对表体几何尺寸的要求有关流体的全部计算结果取决于对声波传输时间的测量传输时间的测量取决电子器件的性能有效消除旋涡和不对称流的影响。,超声波流量计结构,根据换能器多少，目前气体超声流量计有一至六声道流量计；根据超声波在管壁上的反射情况，又可分为直射、单反射和双反射三种。,结构单声道流量计,一
12、般都采用单反射技术，计量不确定度为:1.02.0%。,结构单声道流量计,结构双声道流量计,Daniel 采用的是直射技术；Instromet采用的是双反射技术；Controlotron采用的是单反射技术。双声道气体超声流量计不确定度为1.01.5%。,结构双声道流量计,结构双声道流量计,结构三声道流量计,Instromet采用的是一个单反射和两个双反射技术，Controlotron采用单反射技术，不确定度为0.7 1.0%。,结构三声道流量计,结构四声道和五声道流量计,四声道流量计：Daniel 采用的是直射技术，不确定度为0.5%左右。五声道流量计：目前只有Instromet公司推出此产品，
13、有三个声道采用单反射技术，两个声道采用旋转方向相反的双反射技术，对旋涡流的流量测量准确度较高，不确定度为0.5%左右。,结构四声道流量计,结构五声道流量计,结构五声道流量计,结构外夹式流量计,Controlotron采用单反射技术生产了外夹式超声流量计，不确定度为 1.0 2.0%。,结构探头的特点,1，高频率，低功耗，低电压工作，高效，安全2，灵敏度高3，可以在线带压更换，更换电缆不影响工作及精度4，适用广泛5，结构紧凑，插入表体浅，不易受污垢影响，寿命长,结构探头的特点,可以使用以下工具在线带压拆卸并更换超声波探头,TSLOT探头的特点,1，高频率，低功耗，低电压工作，高效，安全2，灵敏度
14、高3，可以在线带压更换，更换电缆不影响工作及精度4，适用广泛5，结构紧凑，插入表体浅，不易受污垢影响，寿命长,探头的结构,T-Slot 探头的拆卸,计量特性,专用于贸易交接高精度：精度优于+/-0.5%,重复性优于+/-0.2%多通道可检测流体的多个剖面多通道提供了必要的冗余能力，独特的声道替补技术使流量计在某一声道故障的情况下，仍能基本正常工作精确的设计和在加工制造过程中的质量控制,计量特性,工作原理简单；测量准确度高，量程比大，一般都是1：20，可达到1：100；适应性强，上游直管段最好2530D，下游直管段最好10D(加流动调节器，上游最短10D，下游5D，加上表体约20D)；无可动部件
15、，可直接进行清管作业；受压力变化影响较小；为高科技产品，各厂家的产品都有其独特的专利技术，一次性投资高；多声道，尤其是四声道和五声道流量计能适用多种流态；,计量特性,声速,温度,气体运行状况的测量是相对独立的特别适用于高压气体,一般最低工作压力为45 bar 常见流量计的直径,150mm-600mm(6”-36”)最高压力可达ANSI#2500(约42MPa),标准化,在标准化过程中，气体超声流量计算是比较快的。目前有AGA9号报告，ISO/TR 12765，ISO/WD 17089，我国参照AGA9号报告编写的国标GB/T 18604，2002年发布实施。,如何确保超声波流量计的精度,精确的
16、几何加工尺寸和精密的传感器定位仪表的整体化技术贯穿于设计的全部过程中，整体铸造钢制表体，减少焊缝接口，有效减少表体热胀冷缩对计量的影响时间直通式测量原理本身具有较高的精准度，不受表体内部光滑程度或污垢的影响。对流体剖面特性及流场,流态的检测,并采用精确的数学模型进行补偿,如何确保超声波流量计的精度,电子时钟的稳定性连续测量与流体状态相关的声波脉冲对电子元件和传感器引起的信号滞后给予恰当的补偿,多通道流量计算,流量计算的步骤测量每个通道的声波传输时间计算每个通道的速度计算平均速度流速乘以截面积,多通道流量计算,电子单元的计算功能计算工况流量可以直接接入温度和压力信号，进行温压补偿运算，即不使用流量计算机获得标况流量输入天然气组份，密度，由此可以推算出气体的压缩因子及热值。按AGA 8号报告等计算压缩因子雷诺数的计算常用来矫正流态剖面对流量测量的影响流态的矫正常用在单通道或双通道流量计中,设计整体思路,详细设计的总体布局图,计量撬座,谢谢,
