1、 2022-8-14 吴禹峰吴禹峰22022-8-1422022-8-141.1 超声波流量计32022-8-1432022-8-141.1.1基本概念基本概念超声波计量系统的任务 准确测量经过在气体输送管道中安装的超声波流量计的天然气量42022-8-1442022-8-14怎样衡量天然气的量怎样衡量天然气的量nA，体积计量：将经过超声波流量计的、在实际输送状况下的天然气量转换为某一指定状态（标准状态）下的天然气量nB，能量计量：将经过超声波流量计的、在实际输送状况下的天然气量转换为该气量燃烧后可以发出的热量52022-8-1452022-8-141.1.2 天然气计量系统的基本组成天然气计
2、量系统的基本组成 1、工况流量测量仪表（如气体超声波流量计）用于测量在管道中实际输送状态下的天然气流量62022-8-1462022-8-14 2、温度、压力测量仪表（如温度、压力变送器）用于测量管道实际输送气体的状态 3、天然气组成分析仪表（如气相色谱分析仪）分析管道中输送的天然气成份，用于计算天然气 的可压缩程度或天然气的可发热程度72022-8-1472022-8-144、计量二次仪表（如流量计算机）综合上述测量结果，计算出满足贸易交接要求的量值82022-8-1482022-8-1492022-8-1492022-8-141.1.3 丹尼尔超声波流量计的发展历史丹尼尔超声波流量计的发展
3、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102022-8-14102022-8-14 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112022-8-14112022-8-14 1994:DANIEL引入防爆的Mark II电子处理装置 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
4、分公司采用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。122022-8-14122022-8-142001：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。2005:DANIEL 将Mark II升级为MarkIII电子处理装置132022-8-14132022-8-141.1.4 高含硫、带有凝析液天然气中使用超声波流量计与孔板流量计的比较 精度 高级超声波流量计精度:优于0.5%与孔板和涡轮流量计相比，精度不易受气质和分层的影响 孔板流量计在内部肮脏的情况下,计量数据会呈负偏差。DANIEL 超声波流量计即使在表体内部有
5、大量污垢的情况下,仍能保持高精度.142022-8-14142022-8-14 高含硫气体对仪表的寿命影响 硫化氢腐蚀孔板表面，造成金属件疲劳，缩短寿命，具严重的安全隐患。超声波内部没有可动部件，经过特殊处理的内表面可以耐受H2S的侵蚀，可延长维护保养的时间间隔。无插入管道内部的部件，即使管道中有残渣也不会损坏仪表的任何组件。152022-8-14152022-8-141.1.5 超声波流量计的基本原理超声波流量计的基本原理162022-8-14162022-8-14超声波流量计的探头超声波流量计的探头172022-8-14172022-8-14 DANIEL 超声波流量计是时间直通式超声流量
6、超声波流量计是时间直通式超声流量计计 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182022-8-14182022-8-14本安型传感器信号检测回路192022-8-14192022-8-14202022-8-14202022-8-14高级超声波流量机流量方程高级超声波流量机流量方程212022-8-14212022-8-14流量从上诉方程中求出流量从上诉方程中求出222022-8-1422202
7、2-8-14多通道即多路流速测量多通道即多路流速测量232022-8-14232022-8-14权重因子仅取决于探头的几何分布情况权重因子仅取决于探头的几何分布情况!242022-8-14242022-8-14四通道超声流量计四通道超声流量计252022-8-14252022-8-14流量计算的步骤流量计算的步骤 1.测量每个通道的声波传输时间 2.计算每个通道的速度 3.计算平均速度 4.流速乘以截面积262022-8-14262022-8-141.1.6 超声波流量计现场诊断超声波流量计现场诊断(CBM)的意义和影响的意义和影响 CBM 技术的发展变化和现状 CBM技术的基本概念 CBM技
8、术的应用实例272022-8-14272022-8-14282022-8-14282022-8-14超声波流量计现场诊断超声波流量计现场诊断(CBM)的意义的意义 超声波流量计现场诊断(CBM)是一种基于现代技术的，关注于计量场站运行管理的解决方案它可以实现：提高计量的精度和重复性 通过远程诊断获取场站的各种数据和动态趋势信息 方便维护人员采取预防性维护 减少昂贵的停车和非正常工作时间 有效计划维护和再标定周期，节约运行成本 有效监控各种设备的动态变化，延长设备寿命 在现有硬件投资的基础上，无须大量投入就可以发挥现有设备的巨大潜能，从而提高生产运行的效率292022-8-14292022-8-
9、141.CBM 技术的发展和演变:n AGA10报告提出了SOS技术的论述，结合Daniel超声波流量计诊断 软件和的发展，逐步形成了以CUI/SOS技术为核心，同时结合温度，压力，气体组分分析，场站控制，管路设计等多方因素影响最终形成了超声波流量计现场诊断技术n第一篇论述CBM的论文：Operational Experience with USM in Fiscal Gas Service.North Sea Flow Mea.Workshop,1998n 根据AGA10号报告,ALLIANCE管线和加拿大计量局一起通过六年测试，获准每六年重复标定计量用超声波流量计302022-8-1430
10、2022-8-14n自2000年起至今，英国壳牌公司在北海终端的DN300 Daniel 超声波流量计开始每季度在Aukland,Bishop实流标定，并使用CUI和CB记录数据,为CBM技术的成熟积累了大量数据和经验n2005年月，在英国贸工部召开的会议上,CBM技术获得了首个官方认可n2005年春，中国计量科学研究院开始编制新超声波流量计计量检定手册JJG198，明确提出：考虑在使用现场检测等解决方案的基础上，延长超声波流量计的再标定周期到年n2005年，罗马尼亚管线项目首先采用CBM解决方案312022-8-14312022-8-142.CBM技术的基本概念nCondition Base
11、d Monitoring CBM 基本介绍n超声波流量计多年前就已经用于贸易交接计量,多个国家的管理机构,比如英国贸工部要求每年标定n客户希望有可靠的诊断数据提示何时需要再标定n设计不同的超声波流量计的高级诊断能力有很大差异322022-8-14322022-8-14本次讨论本次讨论“D”型声道流量计的数据型声道流量计的数据!332022-8-14332022-8-14Condition Based Monitoring(CBM)n该理论表明，可通过数据诊断发现流量计性能,精度的变化n通过CUI软件能够自动的获取仪表数据并加以分析n CUI 周期性的采集数据、生成Excel文件并形成图形，可简
12、便地确定仪表的”健康”情况n CUI软件生成周期性的数据的趋势图，帮助确定仪表的长期变化情况n本次交流着重讨论多数用户经常用到的五个基本诊断功能n在Daniel Mark III 电子单元的“高级诊断”菜单中提供了附加信息用于支持CBMn分析五个重要诊断信息的主要目的为当仪表的精度发生变化时，系统能够自动识别nCBM的优点为减少重新标定的周期n降低标定周期可为为客户节省大量的运营费用，同时保证场站的计量精度，减少错误计量或终止 计量造成的经济损失342022-8-14342022-8-14352022-8-14352022-8-14362022-8-14362022-8-14372022-8-
13、14372022-8-14流量计故障诊断软件五个重要的基本参数流量计故障诊断软件五个重要的基本参数n 增益值(Gain)n 信号质量(Signal Quality)n 信-噪比(SNR)n 流速特性(Velocity Profile)n 声速(Speed of Sound)382022-8-14382022-8-14392022-8-14392022-8-14增益值讨论增益值讨论n 流量计自动获取增益值n 根据介质情况自动增加信号强度直至上限n 增益随压力变化n 增益随高气体流速而增加n 增益可能随脏污介质情况而增加n 污物很少能导致传感器失灵402022-8-14402022-8-14各声道
14、增益值比较各声道增益值比较:D探头发生问题的增益值正常的流量计412022-8-14412022-8-14趋势图趋势图定义定义n趋势图由CUI Deluxe 软件完成n软件将过去的维护日志自动转化成Excel 图形，用于察看/诊断仪表的变化情况n所有重要参数均可察看其趋势n可以将多个Excel的维护日志合并成一个趋势文件n主要目的是准确识别仪表性能在长期使用中的微小变化，该变化较难通过单个维护数据来观察到422022-8-14422022-8-14正常状态下仪表增益趋势图正常状态下仪表增益趋势图432022-8-14432022-8-14传感器故障状态下增益趋势图传感器故障状态下增益趋势图44
15、2022-8-14442022-8-14增益值分析小结增益值分析小结n增益随压力变化会有所变化n仪表有足够的增益避免脏污对探头的影响n有足够的时间识别有疑问的传感器n除非传感器完全失灵，通常情况下仪表精度不会受到影响n在计量出现偏差前,趋势图能快速识别潜在问题452022-8-14452022-8-14信号质量信号质量(Signal Quality)的定义的定义n 通常是仪表性能的重要表现n 按通道表明脉冲的接受程度n 不需100%接受n 如果不符合可用标准，脉冲信号将被拒绝采用n 低流速下基本100%接受n 低于100%不意味着精度的降低462022-8-14462022-8-14传感器表现
16、比较传感器表现比较:472022-8-14472022-8-14小结小结信号质量信号质量,仪表表现仪表表现nDaniel超声波流量计通常有100%信号质量n接近流量计所允许的最大流速时,小于100%的信号质量是可能发生的n当仪表内流量仅仅达到最高流量的50%,但传感器表现未达到100%时,应对仪表进行必要检查n小于100%的信号质量不意味着精度偏差482022-8-14482022-8-14信噪比信噪比SNR:Signal-to-Noise Ration 所有超声波流量计都提供信噪比参数n 不同的设计所提供的数据有所差别n 提供了背景噪音的信息n 有效处理减弱的信噪比492022-8-1449
17、2022-8-14在带控制阀的计量站用CUI 获取的信噪比(SNR)报告502022-8-14502022-8-14信信-噪比小结噪比小结n通常情况下流量计正常工作下有较高的SNRn低信噪比（SNR）常常意味着控制阀噪声的存在n典型Daniel 超声波流量计工作在大于1000 SNRn信噪比小于250 会导致性能值小于100%n 一般情况下不会影响精度，直到信噪比（SNR）小于100512022-8-14512022-8-14流速剖面关键点流速剖面关键点n仪表商有不同的声道设计n剖面分析依据设计而不同n能够诊断出整流器的工作状况n流速的变化 精度的降低n周期性检查使计量站的运营更准确n可能是目
18、前多数在用的超声波流量计忽略的特性522022-8-14522022-8-14正常速度的剖面正常速度的剖面532022-8-14532022-8-14CPA50E CPA50E 部分阻塞整流器测试部分阻塞整流器测试542022-8-14542022-8-14552022-8-14552022-8-14脏污介质对精度的影响脏污介质对精度的影响n2004 NSFMW 论文说明几台SeniorSonic（高级超声波流量计）仪表精度所受的影响较小n大口径仪表比小口径的影响更小n剖面系数较容易识别脏污情况n污染现象在几个月内形成n剖面系数是污染的最佳指示器562022-8-14562022-8-14SO
19、S（声速）（声速）n与速度计算公式类似n声道流速的“健康”检查nSOS 受气体组分,压力和温度的影响572022-8-14572022-8-14气体组分气体组分气体组分气体组分,压力和温度影响压力和温度影响n 一摄氏度引起SOS 0.23%的误差n 1 BAR 引起SOS 0.02%的误差n 气体组分的影响很难用具体数值衡量582022-8-14582022-8-1416 16-英寸英寸SOS 在标定实验室的情况在标定实验室的情况592022-8-14592022-8-14源于源于CUI 的反常的反常SOS 分配图分配图602022-8-14602022-8-14用用CUI Deluxe 软件
20、计算软件计算SOS612022-8-14612022-8-14 流量计实时计算流量计实时计算SOS622022-8-14622022-8-14SOS 比较小结比较小结n传输时间测量的有效性n帮助辨别传感器上是否有异物n在中、低流速下进行n气体组分的时间选择非常重要n良好的系统“健康检查健康检查”应用应用632022-8-14632022-8-14总结总结 CBM 关键点关键点n超声波流量计的5个基本诊断特性 增益,SNR(信噪比),性能,流速和SOS(声速）n监测诊断可以辨别超声波流量计的整体表现n趋势图诊断对识别问题非常重要n 剖面系数较容易识别安装仪表的管线的脏污情况n 脏污不会对精度造成
21、很大影响642022-8-14642022-8-14nMark III电子单元提供了高级诊断功能n整流器提供稳定的剖面系数n剖面系数能够准确反映管线污染情况n剖面系数的变化转换成仪表精度的微小变化n趋势图诊断对长期的微小变化非常重要narkIII电子单元将安装的预见性报警装置将对n即使解决仪表问题，延长再标定周期起更大作用nCBM是DANIEL的专利技术652022-8-14652022-8-142.1 常用压力表介绍常用压力表介绍n弹簧管压力表（弹性式压力计）弹簧管压力表（弹性式压力计）弹簧管压力表主要由弹簧管、传动放大机构、指示机构和弹簧管压力表主要由弹簧管、传动放大机构、指示机构和表壳四
22、部分组成。弹簧管是一种弯曲成弧形的扁圆或椭圆表壳四部分组成。弹簧管是一种弯曲成弧形的扁圆或椭圆截面的空心金属管。它是一端封闭，并连接传动机构，是截面的空心金属管。它是一端封闭，并连接传动机构，是弹簧管的自由端，输出其变形位移；另一端与螺纹接头焊弹簧管的自由端，输出其变形位移；另一端与螺纹接头焊接，并固定在表壳上，以便输入被测压力到弹簧管内腔。接，并固定在表壳上，以便输入被测压力到弹簧管内腔。传动放大机构的作用是将弹簧管自由端的变形传动放大机构的作用是将弹簧管自由端的变形线位移加线位移加以放大，并将其转变为指针的角位移。表壳的作用是固定以放大，并将其转变为指针的角位移。表壳的作用是固定和保护上述
23、三部分及其他零件。和保护上述三部分及其他零件。662022-8-14662022-8-14压力传感器压力传感器 压力传感器是压力检测系统的重要组成部分，由各种压力压力传感器是压力检测系统的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转变成容易测量的电信号输出，敏感元件将被测压力信号转变成容易测量的电信号输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。压力传感给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。压力传感器的种类很多，下面介绍比较常用的四种：器的种类很多，下面介绍比较常用的四种：a）应变式压力传感器）应变式压力传感器 应变式压力传感器是将压力转换成电阻值的变化来测量的应变式压力传感器是将压
24、力转换成电阻值的变化来测量的。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。压力所产生的应变而变化。672022-8-14672022-8-14 b）压电式压力传感器）压电式压力传感器 压电式压力传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。目前广压电式压力传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这
25、种现象称为“压压电效应电效应”。晶体上所产生的电荷的大小与外部施加的压力成正比。晶体上所产生的电荷的大小与外部施加的压力成正比。这种压力传感器的特点：体积小，结构简单，不需外加电源，灵敏这种压力传感器的特点：体积小，结构简单，不需外加电源，灵敏度和响应频率高，适用于动态压力的测量，其测量范围可从度和响应频率高，适用于动态压力的测量，其测量范围可从0700pa到到070MPa，精确度可达，精确度可达0.1%。c)光导纤维压力传感器光导纤维压力传感器 光导压力传感器与传统的压力传感器相比，有其独特的优点：利用光导压力传感器与传统的压力传感器相比，有其独特的优点：利用光波传导压力信息，不受电磁干扰，
26、电气绝缘好，耐腐蚀，无电火花光波传导压力信息，不受电磁干扰，电气绝缘好，耐腐蚀，无电火花，可以在高压、易燃易爆的环境中测量压力、流量、液位等。它灵敏，可以在高压、易燃易爆的环境中测量压力、流量、液位等。它灵敏度高，体积小，可挠性好，可插入狭窄的空间进行测量，因此而得到度高，体积小，可挠性好，可插入狭窄的空间进行测量，因此而得到重视，并且得到迅速发展重视，并且得到迅速发展。682022-8-14682022-8-14 d）霍尔片式压力传感器）霍尔片式压力传感器 霍尔片式压力传感器是应用霍尔元件将压力引起的位移变成电势输出霍尔片式压力传感器是应用霍尔元件将压力引起的位移变成电势输出，从而实现压力的
27、测量。，从而实现压力的测量。2.2.3 智能压力变送器智能压力变送器 a）电容式压力变送器）电容式压力变送器 电容式压力变送器是根据变电容原理工作的压力检测仪表，是利用电容式压力变送器是根据变电容原理工作的压力检测仪表，是利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，从而实现压力弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，从而实现压力电容电容的转换。的转换。b）扩散硅式压力变送器）扩散硅式压力变送器 扩散硅式压力变送器，其实质是以硅杯压阻传感器为核心的变送器扩散硅式压力变送器，其实质是以硅杯压阻传感器为核心的变送器。它以。它以N型单晶硅膜片作为敏感元件，通过扩散杂质，使其形成型单晶硅膜片作为敏感
28、元件，通过扩散杂质，使其形成4个个P型电阻，并组成电桥。当膜片受压力后，由于半导体的压阻效应，电型电阻，并组成电桥。当膜片受压力后，由于半导体的压阻效应，电阻阻值发生变化，使电桥有相应的输出。阻阻值发生变化，使电桥有相应的输出。692022-8-14692022-8-142.1.2 压力仪表的安装压力仪表的安装n测量气体时，为了使气体内的少量凝结液能顺利的流回工艺管道，而测量气体时，为了使气体内的少量凝结液能顺利的流回工艺管道，而不流入测量管路和仪表内部，取压口应在管道的上半部，如图上的不流入测量管路和仪表内部，取压口应在管道的上半部，如图上的处。处。n 测量液体时，为了让液体内析出的少量气体
29、能顺利地返回工艺管道，测量液体时，为了让液体内析出的少量气体能顺利地返回工艺管道，而不进入测量管路和仪表内部，取压口最好在与管道水平中心线以下而不进入测量管路和仪表内部，取压口最好在与管道水平中心线以下成成045夹角内，如图上的处。夹角内，如图上的处。n对于蒸气介质，应保持测量管路内有稳定的冷凝液，同时也防止工艺对于蒸气介质，应保持测量管路内有稳定的冷凝液，同时也防止工艺管道底部的固体介质进入测量管道和仪表内，取压口最好在管道水平管道底部的固体介质进入测量管道和仪表内，取压口最好在管道水平中心线以上成中心线以上成045夹角内，如图上的处。夹角内，如图上的处。702022-8-14702022-8-14712022-8-14712022-8-14722022-8-14722022-8-14732022-8-14732022-8-14742022-8-14742022-8-14752022-8-14752022-8-14762022-8-14762022-8-14772022-8-14772022-8-14782022-8-14782022-8-14792022-8-14792022-8-14802022-8-14802022-8-14812022-8-14812022-8-14822022-8-14822022-8-14832022-8-14832022-8-14
