气体超声流量计干标方法

      陕京线是我国目前输送距离最长、管径最大的天然气管道。该管道几个分输站已将气体超声流量计作为天然气的流量计量仪表使用。该仪表从原理上摆脱了对流体动能的依赖性，能够测量较低的气体流量，使流量计具有非常宽的量程比，并且在测量中不会引起压力损失，是比较理想的实用性贸易结算计量仪表。

      一、气体超声流量计的工作原理

      时间差法超声流量计的工作原理见图1（仅为单声道的流量计，也适用于其他结构，与流量计的声道数无关）。

      在流体管道中安装有两个既能发送又能接收超声脉冲的探头A和B，这种安装方式能使一个传感器发出的超声脉冲被另一个传感器接受，从而形成声道。在有流体流动的管道中，超声脉冲顺流传播的速度比逆流快。流体的速度越快，超声顺流和逆流传播的的时间差越大。各参数之间有如下关系：

      （1）

      （2）

      式中 L——声道长度，m；
             C——试验条件下的声速，m/s；
             V——流动介质的速度，m/s；
             φ——被测介质流动方向的矢量与声道之间的夹角，（^o）。

      由式（1）和式（2）可以得到被测气体流速：

      （3）

      式（3）表明，气体流速的测量与被测气体的性质（压力、温度等）无关。

      二、干标法标定气体超声流量计的必要性和可行性

      目前，在北美、南美和欧洲以及国内，对用于财务结算计量或贸易输送计量的气体超声流量计，通常是在测试装置上用标准表与参比表进行对比来标定的。对于较小的气体超声流量计（口径在300mm以内），利用现有的装置进行标定是比较现实可行的。但由于较大口径的气体超声流量计已非常普遍，如按常规方法，让用户将流量计从使用的管道上拆卸下来，运送到标定装置上进行流量标定，费用非常昂贵，而且是一个十分费时的过程。

      实践证明，干标法对于孔板流量计是可行的。孔板流量计的检定是根据孔板几何尺寸、对孔板安装条件的检验和对二次仪表的检验来评价流量测量的不确定度。孔板流量计没有可动部件，如果所有的几何尺寸、附属组件已被检查和标定，其性能就可获知。同样，超声流量计也没有可动部件，因此可以通过几何尺寸的检查以及运行特性的检查来确定流量计的性能。

      三、气体超声流量计的干标

      流量计的干标与流量标定不同，它不是利用标准或参比表来检查流量计的结果（被测气体的体积/参比流量）。如果管道几何尺寸能被检查，而电子单元和探头被测试能准确测量气体流速，经过这两部分的检定，而能够确定流量的准确度，就可将此过程称为间接检定。但因这个检定的结果需要调整流量计的组态，因此这过程称为干标。

      与孔板流量计的干标方法相类似，气体超声流量计的干标基础是几何尺寸的标定和传播时间差等，并利用表格公式或数学表达式建立气体测量与被测量的关系式。为了确保流量计的性能并提供所进行工作的数据检查跟踪，干标的各个步骤都必须遵循以下几点要求。

      （1）流量计几何尺寸的检定   对于干标，精确检定尺寸公差是一个非常重要的手段。必须测量与超声气体流量计的有关几何参数，以便测定声道的角度和声程（声道的长度）。

      （2）电子线路与探头功能的测试   在将电子线路与超声探头装在流量计主体之后，要进行功能测试，以确保流量计的电子线路组件（信号处理单元（SPU）以及全部探头）都能正常工作。

      （3）电子线路的组态   在获得精确的尺寸测量结果后，就要对超声流量计进行组态，以适应加工制造中的任何微小变化。这些是仅有的组态项目，即对每一个特定的流量计进行调整（根据尺寸检测报告得出的组态项）。其他的组态项目对于一个给定的流量计口径都是通用的，不会随着流量计的个体而改变。通过调整通道长度和角度来考虑微小的制造上的变化。一般地φ声道角为60^o。如果机械尺寸没有精确到千分之几英寸，此夹角将会改变。测量原有尺寸并计算实际的夹角及声程，能改善流量计的准确度。

      （4）零流量检查   零流量检查测试指的是当没有流量时，流量计应无流量指示。若有流量指示，则是“伪示值”。如果电子线路或探头有计时误差时，就可能产生“伪示值”。即使没有气体流过流量计，仍能检测到探头之间的传输时间差。对于安装在现场的气体超声流量计，只要流量计能被隔离开来，就能进行零流量检查测试。在进行这项测试时，应该非常小心，以避免误解所得的结果，尤其是隔离阀门的轻微泄漏或是由于日光和风吹造成的温度梯度，都会影响测试结果的可靠性。

      （5）声速计算   由超声流量计工作原理可知，气体流动对声速值影响不大。假设气体的温度、压力和组分保持不变，不管流量多少，声速都将保持相对不变。声程计算中的任何误差都将影响流量计的精确度。将计算出的理论声速与超声流量计输出的声速进行比较并用“调整”来调整声程，所得的结果仍是由流量计测得的声速测量值所能达到的最高精度。这样不仅减少了测量的不确定度，而且有助于实现可重复的流量计性能。

      （6）声程的标定   为获得准确的声速结果，流量计必须用一种已知成分的气体来加压，该气体一般采用99.5超纯的氮气。在测试前，先标定压力变送器和温度变送器，并保证流量计内充入氮气时没有污染的介质。然后在1.4MPa和3.4MPa两种压力下分别获得测试数据，并进行数据处理。声程改变的量是根据两种压力下所获得数据的平均值来确定的，然后将新的声程输入流量计。在重新校对声程组态后，得到第三个结果，以确保流量计准确地计算声速。如果差值超过0.03m/s，则再检查测试结果，以发现误差并修正。

      四、结论

      近几年来，气体超声流量计以其适用范围广、测量精度高等优点在我国得到较快发展。然而，由于目前在我国应用的时间较短，许多产品尚需从国外引进，而进口仪表价格昂贵，因此气体超声流量计在我国的应用还不普遍。

      当前，我国尚无气体超声流量计的干标法的国家标准和检定规范，其方法本身也会引起测量的不确定性。要完善超声流量计的干标和测量标定的结果，需要生产厂家与使用者合作，通过试验和实践取得第一手资料，以消除影响流量计性能的不确定因素，逐步使其规范化和标准化。