标题分析超声波流量计的计量偏差原因

0　引言

    超声波流量计是流量计中的一种，在近代近代发展中，电磁流量计、明渠流量计、超声流量计都是用着比较广泛的计量仪器，而超声波流量计算的是一种新型测量流量的仪表，可以测量高黏度液体、非导电性液体或气体的流量，其测量流速的原理是：传递的声讯号穿过管道内流动的介质时，其传递速度受介质流动速度的影响1。20世纪90年代后期，超声波流量计开始在大口径天然气管道上大量应用2；同时，因超声波流量计引起的计量纠纷也不断出现。在2006年初的一次计量纠纷中，多计天然气达1035万m3。引起纠纷的流量计量系统为DANIEL公司生产的采用S600流量计算机进行显示和运算的四声道超声波流量计量系统。

    在纠纷的处理过程中，经检查铂电阻、压力变送器、超声波流量计等均不存在问题，而流量计算机面板显示气体流速、工况流量、标准体积流量与软件计算流量均不对应。怀疑是在流量计算机上读数不同步或流量在流量计算机内进行过修正造成计算数据偏差。于是采用软件读数的方法进行采数，计算流量与流量计算机显示流量基本对应。

    根据以上信息，检查了流量计算机的组态参数，逐项核对流量计算公式，发现DANIEL流量计算机中对体积流量进行了修正，其中压力修正参数涉及到杨氏模量参数。超声波流量计中杨氏模量参数设置为30kPa，而流量计算机中设置为1930600bar，由此可见，从超声波流量计投用后，计量数据一直存在很大的偏差。

    1　原因分析

    1.1　计算机软件检查

    在事件处理过程中，对流量计算机的组态软件和整个问题产生的原因进行了详细的分析。

    在S600流量计算机中，存在着两种文件：

    1）Vixworks（相当于个人计算机中的Windows系统）是组态软件运行的基础，计算等各种功能模块存在其中；

    2）组态软件（相当于个人计算机中运行的各种软件）是在Vixworks之上运行的，针对不同现场仪表调用不同计算模块的运行软件。

    在超声流量计与S600流量计算机组成的系统中，流量计算机对流量的计算模块组中，包含超声流量计表体压力膨胀系数的修正计算。而杨氏模量则参与该压力膨胀系数的修正计算。Vixworks中有相关的模块，在组态软件中调用相应模块。

    在Vixworks04.25以前的版本中，所有输入压力无论其为何种单位，均会被转化为以bar为单位，然后再结合杨氏模量数值进行计算。所以杨氏模量对应的压力单位默认为bar。在组态软件中，杨氏模量的数值设为1930600bar（不锈钢的杨氏模量）。

    碳钢的杨氏模量数值为2068430bar。经计算比较，将碳钢的杨氏模量设为不锈钢的杨氏模量，在工作压力为4246.145kPa，管道内径为0.25451562m，管道外径为0.35m的条件下，对超声流量计计量结果的影响为0.00138%，可以忽略不计。

    在Vixworks04.25以后的版本中，超声流量计表体压力膨胀系数的修正模块中，修改了上述关系。即当现场选定的压力为kPa，则杨氏模量数值对应的单位也应为kPa；当现场选定的压力单位为MPa时，则杨氏模量数值对应的单位也应为MPa。如果选定的单位为kPa，杨氏模量数值对应的单位为bar，则会对计算产生较大影响。

    1.2　杨氏模量对流量计算的影响

    为确定杨氏模量对流量计算的影响，进行了模拟计算。假定只有杨氏模量数值变化，其它参数不变，进行理论计算。

    在S600流量计算机中，工况的计算公式为：

    式中：qv为经温度、压力修正后的工况流量（m³/h）；V为天然气流速（m/s）；Din为经干标所得的超声流量计表体内径（m）；C_p为压力对工况流量的修正系数，由式（2）计算所得；C_t为温度对工况流量的修正系数，由式（4）计算所得；MF为校准系数；C_F为管道流体流速分布系数。

    式中：S为超声流量计表体材质压力膨胀修正系数，由式（3）计算所得；P_L为压力（bar）；P_CAL为标定内径时的压力（bar），通常为标准状态大气压。

    式中：E为杨氏模量（bar）；D_out为超声流量计表体外径（m）；Din为干标所得的超声流量计表体内径（m）。

    式中：L为超声流量计表体材质所对应的线性温度修正系数（℃-1）；T_L为温度（℃）；T_CAL为超声流量计标定内径时的温度（℃），通常为标准状态温度。

    2　计算示例

    2.1　正确杨氏模量数值计算

    以上述超声流量计的工作情况为例，进行计算。

    2.1.1　超声流量计特性参数

    超声流量计表体材质为碳钢，正确的E=206843000（kPa），L=0.0000149（℃-1）；

    超声流量计表体内外径分别为Din=0.25451562m，Dout=0.35m。

    2.1.2　超声流量计运行参数

    所测气体流速V=16.85m/s；工作压力P_L=4246.145kPa；工作温度T_L=4.43℃。

    2.1.3　标准状态

    大气压P_CAL=101.325kPa；温度T_CAL=20℃。

    2.1.4　其它系数

    π=3.1415926，M_F=1.0000（以默认1.0000为计算示例），C_F=1.0000（对四声道流量计，该系数取1.0000）。

    2.1.5　计算过程

    将相关参数值代入式（4）可得：

    将相关参数值代入式（3）可得：

    将相关数值代入式（2）可得：

    再将相关参数和计算数值代入式（1）可得：

    2.2　错误杨氏模量数值计算

    以bar为单位的不锈钢杨氏模量数值代入计算。

    按2.1.1～2.1.4所示数据，其它参数不变，只将以bar为单位的不锈钢杨氏模量数值1930600代入计算，则：

    2.3　两次计算的偏差

    偏差=（错误杨氏模量数值计算流量-正确杨氏模量数值计算流量）/正确杨氏模量数值计算流量

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

    3　结论

    在新版Vixworks的S600流量计算机中运行了老版的组态软件，即设定杨氏模量数值应对应的单位为bar，而现场选用的压力单位为kPa，使参与计算的杨氏模量数值比实际数值小了100倍，从而导致了管道受高压膨胀修正计算的偏差。在工作压力为4246.145kPa，管道内径为0.25451562m，管道外径为0.35m的条件下，所产生的偏差达2.046%。http://www.llj18.com/