非校准条件的情况下超声流量计的操作

1 摘要

现在，用于天然气计量的超声流量计的校准尽可能在流量校准装置上进行。既然几乎所有的这些装置使用天然气流过管线，在通常情况下，就不可能改变影响声速的参数，比如温度、压力、气体组成。当超声流量计使用时这些参数如果相异于校准情况下的数值，校准还能起到作用吗？

为了定量地描述这些参数的变化对超声流量计校准的影响，进行了一系列的仔细控制的校准实验。第一步的实验包括在西南研究院（ SwRI ）的高压回路中使用压力 2.8MPa （ 400psi ）的天然气介质校准一台 200mm （ 8inch ）和一台 300mm （ 12inch ）的超声流量计。作为附加的参考， 200mm 和 300mm 的涡轮流量计也应用于回路中。然后把流体介质改为氮气，声速变化了 16% ，数值上等效于天然气 4.6 MPa （ 677psi ）的压力。

为了进一步试验压力对超声流量计校准的影响，在压力从 1.4MPa （ 200psi ）到 7MPa （ 1000psi ）的范围内，使用氮气对口径 300mm 的流量计进行了一系列的统计声速测量。测量值表明在这个压力范围内声速的变化在计算值的 0.03% 以内。

此外，对温度和流体介质的变化导致的声速的变化，进行了进一步的实验。用天然气在 21 ℃（ 70 ℉ ）和 10 ℃（ 50 ℉ ）进行校准实验，用氮气在 21 ℃（ 70 ℉ ）和 32 ℃（ 90 ℉ ）下进行。对每一系列的校准，对比平均校准曲线，得出变化对校准的影响。在满足期望的装置和流量计再现性条件下，超声流量计的校准对声速的变化、温度和压力的变化都没有反应。当用于校准的流体介质从天然气变化到氮气时，观察到的微小的变化是由于对这两种气体使用的状态方程不同。

这些测试结果证明如果超声流量计在一套条件下的校准程序是可行的，在另外的条件下使用也可以，包括用不同的气体介质。

2 引言

用于关联交易的天然气计量用超声流量计的原理是通过测量气体的超声波传播时间。超声波在与流体流向一致时，传播时间要小于逆流时的情况。两种状态下的传播时间差用于计算气体流动的平均速率。实际的体积流量可用下式表示：

这里 K= 流量计的仪表系数，△ T= 传播时间差，T1= 顺流时的传播时间，T2= 逆流时的传播时间

由于这个流量方程式中只包括了流量计的物理学结构尺寸和传播时间，它独立于流动气体中的声速（ SOS ）。因此，就可以作出假设：气体流速的测定独立于影响气体中声速的因素，比如温度、压力和气体组成。如果这个假设不正确，超声流量计在不同于现场运行条件下的校准的有效性就值得考虑。

首先，对超声流量计气体速度的测定独立于声速，但可能由于下列原因还有一些次要的影响。

声阻改变了信号对气体的耦合；
雷诺数的变化。雷诺数正比于特定的重力（ SG ）与粘度的比值；
信号的波长（ WL ）随气体组成变化而变化。

在不同的介质下留意这些参数是饶有兴趣的。下列的表格是针对标准条件，注意对一给定的管径大小和流速，雷诺数几乎是个常数。

表1 气体性质

当从天然气改变为空气或者氮气，许多气体性质会变化，比如声速、特定的重力和粘度。然而，由于它们也随温度和压力变化，超声流量计在操作条件的范围内在气体性质上就有可以想象得到的交迭，表明偏离标准条件不是那么重要。

3 研究目标

本文中所阐述的研究目标是确定温度、压力和流体介质变化对气体超声流量计的影响。除了检验超声流量计技术外，该套程序还有支持这些天然气流量计用氮气或空气校准的作用。

现在，在北美只有两套设备可用以在超出流量范围的情况下校准口径大于 200mm 的超声流量计。这些流量计的安装以每年超过 10% 的速度在增长。在将来，校准设备将会变的有很大的局限性。这些校准装置可能在使用不到几年的情况下就需要重新校准。

如果超声流量计的校准只限于天然气装置，建造新装置的可能性会由于位置和费用而被局限。然而，如果可以证明用其它介质校准是等效的，建造新装置的可能性就大大提高了。用空气校准天然气流量计就不单单针对超声流量计。几乎所有用于天然气计量的涡轮流量计和住宅用煤气表都可以用空气校准。

4 流量回路校准

为了实现该程序的目标，在零流量和其它流量条件下进行实验。零流量的实现用来确定压力对校准的可能影响。

4.1 流量回路实验

既然现在没有加压的流量校准装置在同一测试回路中既能用天然气校准也能用空气校准，最好的选择是用惰性气体氮气，它有与空气接近的性质（空气含 78% 的氮气）。西南研究院拥有一套循环系统（不是气体管线的一部分），它是北美唯一的可以用同一套仪器在相同的回路中既适用于氮气也适用于天然气测试的装置。尽管音速喷嘴装置是用称重系统确定质量流率的校准装置，音速喷嘴流率计算需要气体组成和状态方程来确定气体性质。同时决定在回路中使用参考涡轮流量计来对比两种体积计量的流量计（比如涡轮和超声流量计）。这种参考表法相比较流量计与音速喷嘴对比的方法对气体组成的以来要小。

在西南研究院的高压回路中用氮气和天然气作为试验流体进行了一系列的标准校准。此外，改变温度相应改变声速。在这些校准实验中，包括仪器仪表、管线布置和数据采集系统在内的测试装置不发生变化。

高压回路中已经包括了两台 Daniel 300mm 多声道超声流量计，并在参考部分安装了一台 Daniel 300mm 的气体涡轮流量计。一台 Daniel 200mm 多声道流量计紧跟一台 Daniel 200mm 涡轮流量计安装在回路中的测试部分。 200mm 流量计安装在高压回路中的测试部分，防止太阳直射。在 300mm 管径和 200mm 管径变径处下游 5D 处安装一台流量调节器（ Daniel Profile ）。在两台流量计之间至少有 5D 的距离，在流量调节器和超声流量计之间留出长至 24D 的长度。 200mm 的涡轮流量计安装在 200mm 管径部分，并且与 200mm 到 300mm 管径变径处保持至少 5D 长度。 [page]

全部的校准包括 7 个流量点，在每点重复 6 次。用天然气在 200mm 流量计上流量点分 1.68 、 3.35 、 6.71 、 10.1 、 13.4 、 16.8 和 20m/s （ 5.5 、 11 、 22 、 33 、 44 、 55 和 66ft/sec ），在 300 流量计上对应有小流量显示。这些流率用音速喷嘴测得，分别用天然气和氮气测试。这些校准的回路分布图示于图 1 中。

图1 西南研究院的高压校准回路

校准的顺序如下：

(1) 用天然气在 2.8MPa ， 21 ℃校准；
(2) 温度变至 10 ℃，重新校准。温度的变化降低了天然气中的声速，这使得它跟在氮气中的声速很接近；
(3) 介质从天然气变至氮气。氮气中在 2.8MPa ， 21 ℃校准。注意为了使用相同的音速喷嘴，两种声速比中流率值降低，大约为 0.84 ；
(4) 温度变化至 32 ℃。温度的变化增大了氮气中的声速。这使得它跟在天然气中的声速很接近。

在每个流量点收集了上面 5 块表的下列数据：

超声流量计的 Chord 声速和平均声速；
气体平均流率；
校验流率；
校验声速（由西南研究院计算）；
西南研究院的温度和压力。

4.2 数据分析

进行了天然气测试结果和氮气测试结果的曲线对比。对下列项目进行天—天，温度—温度校准数据分析：

流量校准数据（流量计对音速喷嘴）；
流量校准数据（超声流量计对涡轮流量计）；
Chord 声速数据（基于 AGA-8 号报告和气体组成分析的 Chord 声速对计算出的声速）。

西南研究院提出在 95% 置信水平下校准流量计总不确定度约为 0.25% 。比对两个校准结果就会给出 0.35% 的总不确定度。然而，在这种情况下，进行比对的两个校准之间的唯一差别是测试流体。音速喷嘴、涡轮流量计、管线布置、数据采集和超声流量计都是相同的。通过比较同一流量计不同的校准之间的差异，对体系的大部分偏见可以消除。氮气和天然气状态方程中的不确定度经计算均为 0.1% 。在不同的日子，不同的环境条件下，系统运行的随意不确定度经计算为 0.14% 。对相同的流量计，相同的音速喷嘴，在相同的管线布置下，用天然气和氮气校准可以达到期望的总不确定度。

4.3 结果

5台流量计(2台涡轮流量计和3台超声流量计)中的每一台都校准了 8 次。

2 天内在 2 个温度点 21 ℃和 10 ℃用天然气校准 4 次；
2 天内在 2 个温度点 21 ℃和 32 ℃用氮气校准 4 次。

最初的天然气在 21 ℃的校准用来作为每一台流量计的参考。另一序号的多项式添加到数据分析中产生校准系数，这些系数在后面的校准中使用。校准曲线的符号如下：

NG 10.14=2001 年 8 月 14 日用天然气在 10 ℃测试；
N2 21.17=2001 年 8 月 17 日用氮气在 21 ℃测试。

图2 200mm(8inch)超声流量计用天然气和氮气校准的曲线

图2显示了在回路测试部分 200mm 超声流量计 8 次校准的结果。下列的观测资料可以从校准运行的曲线上得到。

两种气体中天 - 天校准数据再现性非常好，平均大约 0.1% ；
10 ℃和 21 ℃两个校准之间的差别，甚至比两种气体中天 - 天校准数据变化更小，平均小于 0.1% ；
天然气和氮气两种校准曲线之间的差异平均小于 0.2% ，与 4.3 部分中预计的一样。氮气校准曲线平铺在天然气校准曲线的下部。

比较用两种气体对 200mm 涡轮流量计的校准也是颇有趣味的。这些都示于图 3 中。 32 ℃是用氮气在 11.3m/s 流量点上校准结果的偏差被确信是由于仪器产生的误差。对于给定的气体，校准的重复性非常好。再次地，用氮气校准的曲线位于天然气校准曲线的下部。在这些压力条件下，由于涡轮流量计在许多前面的测试中没有表现出密度影响，那么气体组成影响最可能用来解释两种气体校准曲线的可以察觉的差异。

图3 200mm(8inch)涡轮流量计用天然气和氮气校准的曲线[page]

如果涡轮流量计用来作为参考表，显示于图 2 中的校准曲线现在变成了如图 4 。在这种情况下，两种气体中运行的校准曲线互相交迭。对于 200mm 流量计，在高压回路中天然气可以达到的最大流率为 20m/s 。在用氮气校准的实验中，为了使用同一个音速喷嘴，这个流率被减小到 16.8m/s 。

图4 200mm(8inch)超声流量计用天然气和氮气校准的曲线
（用涡轮流量计作参考）

从 300mm 流量计得到的校准数据给出了相似的结果。但是由于测试流量点在流量计满量程 33% 以下操作，并且校准过程在日光照射下进行，所以校准数据在低流量下稍微有些分散。对 300mm 超声流量计和 300mm 涡轮流量计的校准数据表示于图 5 和图 6 中。图 7 显示了用涡轮流量计作参考的超声流量计校准曲线，天然气和氮气的校准曲线交迭。 200mm 流量计也是如此。

图5 300mm(12inch)超声流量计用天然气和氮气校准的曲线

图6 300mm(12inch)涡轮流量计用天然气和氮气校准的曲线

图7 300mm(12inch)超声流量计用天然气和氮气校准的曲线
（用涡轮流量计作参考）

在所有超声流量计的校准过程中，声速都被记录下来。西南研究院使用在线 Daniel Danalyzer 气相色谱仪得到气体组成数据，并用其与温度、压力和 AGA NO 8 报告中提出的状态方程一起，从理论上计算出声速值，平均差异在 0.04% 以内。

5 压力测量

在 1998 年的论文中， Grimley 和 Bowles[1] 提出了四种不同结构对 200mm 超声流量计的校准数据。实验被设计成确定每种管道布置和流量条件设置对校准结果的影响。每个流量计的基线测定在 2.8MPa 和 6.2MPa 下进行。两台超声流量计都显示出两种压力之间大到 0.5% 的差异。

Grimley[2] 又用三个厂家生产的多声道流量计作了测定并将结果在当年发表。这些测定在 1.4MPa 、 2.8MPa 和 6.9MPa 下进行。报告中建议说转换器随压力的变化趋势可以解释一些流量计的校准结果。尽管 Grimley 得出结论说在使用 Daniel 流量计的情况下这种影响很小。我们决定进一步关注这个影响的细节。我们的实验在下面的部分中描述。

5.1 声速的测定

超声流量计延迟时间等于从发射换能器发出信号到接收换能器接收到声波的时间减去超声波在介质中的传播时间。如果延迟时间在换能器上随压力改变，误差就会在测定的流率中反映出来。正如在 Grimley 的 2 号报告 [2] 中指出的那样，流率的误差将会大约是延迟时间（或声速）误差的 2 倍。 [page]

Daniel 超声流量计的生产过程中，对每一对换能器的延迟时间作了测量并把数值存储在流量计的电子电路中。这种测定是在 1.4MPa 压力下用纯氮气充满流量计的情况下进行的。为了确定压力对延迟时间的可能影响，又用 300mm 超声流量计在 2.8MPa 和 6.9MPa 下测定了氮气中的声速。

图8 —声速测定结果和计算声速的差异

5.2 结果

作为压力函数的声速的测量结果表示于图 8 中，同时示于图中的还有声速测定的误差曲线。该曲线通过比较用流量计测得的声速和基于 AGA NO 8 号报告中状态方程和压力、温度、气体组成的数据计算的声速得到。

正如图中所示，在 5.5MPa 的压力跨度上测得的误差为 0.03% ，仅占流率误差的 0.06% 。这些统计结果几乎完全与 Grimley 的流量回路测试结果一致。

Grimley 得出结论说，对于 Daniel 流量计，压力造成的声速的变化太小在测定的流率中不能造成可察觉的误差。此外，他还指出由于压力造成的流率分布变化还不能大到对 Daniel 流量计造成偏差。

6 结论

研究程序的目标达到了，得出如下结论：

西南研究院在所有的实验中记录的测量声速值与理论计算值的平均误差在 0.04% ；
尽管依赖于气体的温度，超声流量计在用天然气从 21 ℃到 10 ℃或用氮气从 21 ℃到 32 ℃校准却没有显示出变化；
西南研究院高压回路校准结果中天 - 天数据变化对两种气体都小于 0.1% 。校准设备和流量计的再现性都很高；
以涡轮流量计为参考，基于体积计量的参考系统，超声流量计的校准最终没有表现出天然气和氮气做介质的差别；
以音速喷嘴作为参考，基于质量计量的参考系统，在气体从天然气变化到氮气，超声和涡轮流量计显示出略小于 0.2% 的变化。这个变化很小，然而可能很重要的气体组成数据与音速喷嘴的校准有关；
西南研究院进行的一系列的校准分析数据证明了在一套条件下对超声流量计的校准程序如果应用于其它条件，包括不同的气体，都同样成立。这会允许在方便的地区建造空气校准装置。但是必须严格控制校准点的操作条件吻合超声流量计使用点的情况。
在 5.5MPa 的压力范围内对 300mm 用氮气充满的流量计声速的统计测定结果与计算值只有 0.03% 的误差。这点否定了压力对超声换能器的特征（延迟时间）有很大影响的可能性。

7 参考文献
[1] T.A.GRIMLEY and E.B.BOWLES 《工业研究员评价超声流量计性能》 管线和气体工业 1998 年 12 月。
[2] T.A.GRIMLEY 《管径不匹配和线压变化对超声气体流量计性能的影响》 GRI-02/0031 2002 年 2 月。(end)