標題分析超聲波流量計的計量偏差原因

0　引言

    超聲波流量計是流量計中的一種，在近代近代發展中，電磁流量計、明渠流量計、超聲流量計都是用著比較廣泛的計量儀器，而超聲波流量計算的是一種新型測量流量的儀表，可以測量高黏度液體、非導電性液體或氣體的流量，其測量流速的原理是：傳遞的聲訊號穿過管道內流動的介質時，其傳遞速度受介質流動速度的影響1。20世紀90年代后期，超聲波流量計開始在大口徑天然氣管道上大量應用2；同時，因超聲波流量計引起的計量糾紛也不斷出現。在2006年初的一次計量糾紛中，多計天然氣達1035萬m3。引起糾紛的流量計量系統為DANIEL公司生產的采用S600流量計算機進行顯示和運算的四聲道超聲波流量計量系統。

    在糾紛的處理過程中，經檢查鉑電阻、壓力變送器、超聲波流量計等均不存在問題，而流量計算機面板顯示氣體流速、工況流量、標準體積流量與軟件計算流量均不對應。懷疑是在流量計算機上讀數不同步或流量在流量計算機內進行過修正造成計算數據偏差。于是采用軟件讀數的方法進行采數，計算流量與流量計算機顯示流量基本對應。

    根據以上信息，檢查了流量計算機的組態參數，逐項核對流量計算公式，發現DANIEL流量計算機中對體積流量進行了修正，其中壓力修正參數涉及到楊氏模量參數。超聲波流量計中楊氏模量參數設置為30kPa，而流量計算機中設置為1930600bar，由此可見，從超聲波流量計投用后，計量數據一直存在很大的偏差。

    1　原因分析

    1.1　計算機軟件檢查

    在事件處理過程中，對流量計算機的組態軟件和整個問題產生的原因進行了詳細的分析。

    在S600流量計算機中，存在著兩種文件：

    1）Vixworks（相當于個人計算機中的Windows系統）是組態軟件運行的基礎，計算等各種功能模塊存在其中；

    2）組態軟件（相當于個人計算機中運行的各種軟件）是在Vixworks之上運行的，針對不同現場儀表調用不同計算模塊的運行軟件。

    在超聲流量計與S600流量計算機組成的系統中，流量計算機對流量的計算模塊組中，包含超聲流量計表體壓力膨脹系數的修正計算。而楊氏模量則參與該壓力膨脹系數的修正計算。Vixworks中有相關的模塊，在組態軟件中調用相應模塊。

    在Vixworks04.25以前的版本中，所有輸入壓力無論其為何種單位，均會被轉化為以bar為單位，然后再結合楊氏模量數值進行計算。所以楊氏模量對應的壓力單位默認為bar。在組態軟件中，楊氏模量的數值設為1930600bar（不銹鋼的楊氏模量）。

    碳鋼的楊氏模量數值為2068430bar。經計算比較，將碳鋼的楊氏模量設為不銹鋼的楊氏模量，在工作壓力為4246.145kPa，管道內徑為0.25451562m，管道外徑為0.35m的條件下，對超聲流量計計量結果的影響為0.00138%，可以忽略不計。

    在Vixworks04.25以后的版本中，超聲流量計表體壓力膨脹系數的修正模塊中，修改了上述關系。即當現場選定的壓力為kPa，則楊氏模量數值對應的單位也應為kPa；當現場選定的壓力單位為MPa時，則楊氏模量數值對應的單位也應為MPa。如果選定的單位為kPa，楊氏模量數值對應的單位為bar，則會對計算產生較大影響。

    1.2　楊氏模量對流量計算的影響

    為確定楊氏模量對流量計算的影響，進行了模擬計算。假定只有楊氏模量數值變化，其它參數不變，進行理論計算。

    在S600流量計算機中，工況的計算公式為：

    式中：qv為經溫度、壓力修正后的工況流量（m³/h）；V為天然氣流速（m/s）；Din為經干標所得的超聲流量計表體內徑（m）；C_p為壓力對工況流量的修正系數，由式（2）計算所得；C_t為溫度對工況流量的修正系數，由式（4）計算所得；MF為校準系數；C_F為管道流體流速分布系數。

    式中：S為超聲流量計表體材質壓力膨脹修正系數，由式（3）計算所得；P_L為壓力（bar）；P_CAL為標定內徑時的壓力（bar），通常為標準狀態大氣壓。

    式中：E為楊氏模量（bar）；D_out為超聲流量計表體外徑（m）；Din為干標所得的超聲流量計表體內徑（m）。

    式中：L為超聲流量計表體材質所對應的線性溫度修正系數（℃-1）；T_L為溫度（℃）；T_CAL為超聲流量計標定內徑時的溫度（℃），通常為標準狀態溫度。

    2　計算示例

    2.1　正確楊氏模量數值計算

    以上述超聲流量計的工作情況為例，進行計算。

    2.1.1　超聲流量計特性參數

    超聲流量計表體材質為碳鋼，正確的E=206843000（kPa），L=0.0000149（℃-1）；

    超聲流量計表體內外徑分別為Din=0.25451562m，Dout=0.35m。

    2.1.2　超聲流量計運行參數

    所測氣體流速V=16.85m/s；工作壓力P_L=4246.145kPa；工作溫度T_L=4.43℃。

    2.1.3　標準狀態

    大氣壓P_CAL=101.325kPa；溫度T_CAL=20℃。

    2.1.4　其它系數

    π=3.1415926，M_F=1.0000（以默認1.0000為計算示例），C_F=1.0000（對四聲道流量計，該系數取1.0000）。

    2.1.5　計算過程

    將相關參數值代入式（4）可得：

    將相關參數值代入式（3）可得：

    將相關數值代入式（2）可得：

    再將相關參數和計算數值代入式（1）可得：

    2.2　錯誤楊氏模量數值計算

    以bar為單位的不銹鋼楊氏模量數值代入計算。

    按2.1.1～2.1.4所示數據，其它參數不變，只將以bar為單位的不銹鋼楊氏模量數值1930600代入計算，則：

    2.3　兩次計算的偏差

    偏差=（錯誤楊氏模量數值計算流量-正確楊氏模量數值計算流量）/正確楊氏模量數值計算流量

    ×100%=（3147.753084.63）/3084.63×100%=2.046%。

    3　結論

    在新版Vixworks的S600流量計算機中運行了老版的組態軟件，即設定楊氏模量數值應對應的單位為bar，而現場選用的壓力單位為kPa，使參與計算的楊氏模量數值比實際數值小了100倍，從而導致了管道受高壓膨脹修正計算的偏差。在工作壓力為4246.145kPa，管道內徑為0.25451562m，管道外徑為0.35m的條件下，所產生的偏差達2.046%。http://www.llj18.com/