非校準(zhǔn)條件的情況下超聲流量計(jì)的操作
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現(xiàn)在，用于天然氣計(jì)量的超聲流量計(jì)的校準(zhǔn)盡可能在流量校準(zhǔn)裝置上進(jìn)行。既然幾乎所有的這些裝置使用天然氣流過管線，在通常情況下，就不可能改變影響聲速的參數(shù)，比如溫度、壓力、氣體組成。當(dāng)超聲流量計(jì)使用時(shí)這些參數(shù)如果相異于校準(zhǔn)情況下的數(shù)值，校準(zhǔn)還能起到作用嗎？
為了定量地描述這些參數(shù)的變化對超聲流量計(jì)校準(zhǔn)的影響，進(jìn)行了一系列的仔細(xì)控制的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。第一步的實(shí)驗(yàn)包括在西南研究院（ SwRI ）的高壓回路中使用壓力 2.8MPa （ 400psi ）的天然氣介質(zhì)校準(zhǔn)一臺(tái) 200mm （ 8inch ）和一臺(tái) 300mm （ 12inch ）的超聲流量計(jì)。作為附加的參考， 200mm 和 300mm 的渦輪流量計(jì)也應(yīng)用于回路中。然后把流體介質(zhì)改為氮?dú)?，聲速變化?16% ，數(shù)值上等效于天然氣 4.6 MPa （ 677psi ）的壓力。
為了進(jìn)一步試驗(yàn)壓力對超聲流量計(jì)校準(zhǔn)的影響，在壓力從 1.4MPa （ 200psi ）到 7MPa （ 1000psi ）的范圍內(nèi)，使用氮?dú)鈱趶?300mm 的流量計(jì)進(jìn)行了一系列的統(tǒng)計(jì)聲速測量。測量值表明在這個(gè)壓力范圍內(nèi)聲速的變化在計(jì)算值的 0.03% 以內(nèi)。
此外，對溫度和流體介質(zhì)的變化導(dǎo)致的聲速的變化，進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。用天然氣在 21 ℃（ 70 ℉ ）和 10 ℃（ 50 ℉ ）進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，用氮?dú)庠?21 ℃（ 70 ℉ ）和 32 ℃（ 90 ℉ ）下進(jìn)行。對每一系列的校準(zhǔn)，對比平均校準(zhǔn)曲線，得出變化對校準(zhǔn)的影響。在滿足期望的裝置和流量計(jì)再現(xiàn)性條件下，超聲流量計(jì)的校準(zhǔn)對聲速的變化、溫度和壓力的變化都沒有反應(yīng)。當(dāng)用于校準(zhǔn)的流體介質(zhì)從天然氣變化到氮?dú)鈺r(shí)，觀察到的微小的變化是由于對這兩種氣體使用的狀態(tài)方程不同。
這些測試結(jié)果證明如果超聲流量計(jì)在一套條件下的校準(zhǔn)程序是可行的，在另外的條件下使用也可以，包括用不同的氣體介質(zhì)。
2 引言
用于關(guān)聯(lián)交易的天然氣計(jì)量用超聲流量計(jì)的原理是通過測量氣體的超聲波傳播時(shí)間。超聲波在與流體流向一致時(shí)，傳播時(shí)間要小于逆流時(shí)的情況。兩種狀態(tài)下的傳播時(shí)間差用于計(jì)算氣體流動(dòng)的平均速率。實(shí)際的體積流量可用下式表示：
由于這個(gè)流量方程式中只包括了流量計(jì)的物理學(xué)結(jié)構(gòu)尺寸和傳播時(shí)間，它獨(dú)立于流動(dòng)氣體中的聲速（ SOS ）。因此，就可以作出假設(shè)：氣體流速的測定獨(dú)立于影響氣體中聲速的因素，比如溫度、壓力和氣體組成。如果這個(gè)假設(shè)不正確，超聲流量計(jì)在不同于現(xiàn)場運(yùn)行條件下的校準(zhǔn)的有效性就值得考慮。
首先，對超聲流量計(jì)氣體速度的測定獨(dú)立于聲速，但可能由于下列原因還有一些次要的影響。
聲阻改變了信號對氣體的耦合；
雷諾數(shù)的變化。雷諾數(shù)正比于特定的重力（ SG ）與粘度的比值；
信號的波長（ WL ）隨氣體組成變化而變化。
在不同的介質(zhì)下留意這些參數(shù)是饒有興趣的。下列的表格是針對標(biāo)準(zhǔn)條件，注意對一給定的管徑大小和流速，雷諾數(shù)幾乎是個(gè)常數(shù)。
表1 氣體性質(zhì) 
3 研究目標(biāo)
本文中所闡述的研究目標(biāo)是確定溫度、壓力和流體介質(zhì)變化對氣體超聲流量計(jì)的影響。除了檢驗(yàn)超聲流量計(jì)技術(shù)外，該套程序還有支持這些天然氣流量計(jì)用氮?dú)饣蚩諝庑?zhǔn)的作用。
現(xiàn)在，在北美只有兩套設(shè)備可用以在超出流量范圍的情況下校準(zhǔn)口徑大于 200mm 的超聲流量計(jì)。這些流量計(jì)的安裝以每年超過 10% 的速度在增長。在將來，校準(zhǔn)設(shè)備將會(huì)變的有很大的局限性。這些校準(zhǔn)裝置可能在使用不到幾年的情況下就需要重新校準(zhǔn)。
如果超聲流量計(jì)的校準(zhǔn)只限于天然氣裝置，建造新裝置的可能性會(huì)由于位置和費(fèi)用而被局限。然而，如果可以證明用其它介質(zhì)校準(zhǔn)是等效的，建造新裝置的可能性就大大提高了。用空氣校準(zhǔn)天然氣流量計(jì)就不單單針對超聲流量計(jì)。幾乎所有用于天然氣計(jì)量的渦輪流量計(jì)和住宅用煤氣表都可以用空氣校準(zhǔn)。
4 流量回路校準(zhǔn)
為了實(shí)現(xiàn)該程序的目標(biāo)，在零流量和其它流量條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。零流量的實(shí)現(xiàn)用來確定壓力對校準(zhǔn)的可能影響。
4.1 流量回路實(shí)驗(yàn)
既然現(xiàn)在沒有加壓的流量校準(zhǔn)裝置在同一測試回路中既能用天然氣校準(zhǔn)也能用空氣校準(zhǔn)，最好的選擇是用惰性氣體氮?dú)猓信c空氣接近的性質(zhì)（空氣含 78% 的氮?dú)猓?。西南研究院擁有一套循環(huán)系統(tǒng)（不是氣體管線的一部分），它是北美唯一的可以用同一套儀器在相同的回路中既適用于氮?dú)庖策m用于天然氣測試的裝置。盡管音速噴嘴裝置是用稱重系統(tǒng)確定質(zhì)量流率的校準(zhǔn)裝置，音速噴嘴流率計(jì)算需要?dú)怏w組成和狀態(tài)方程來確定氣體性質(zhì)。同時(shí)決定在回路中使用參考渦輪流量計(jì)來對比兩種體積計(jì)量的流量計(jì)（比如渦輪和超聲流量計(jì)）。這種參考表法相比較流量計(jì)與音速噴嘴對比的方法對氣體組成的以來要小。
在西南研究院的高壓回路中用氮?dú)夂吞烊粴庾鳛樵囼?yàn)流體進(jìn)行了一系列的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。此外，改變溫度相應(yīng)改變聲速。在這些校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，包括儀器儀表、管線布置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在內(nèi)的測試裝置不發(fā)生變化。
高壓回路中已經(jīng)包括了兩臺(tái) Daniel 300mm 多聲道超聲流量計(jì)，并在參考部分安裝了一臺(tái) Daniel 300mm 的氣體渦輪流量計(jì)。一臺(tái) Daniel 200mm 多聲道流量計(jì)緊跟一臺(tái) Daniel 200mm 渦輪流量計(jì)安裝在回路中的測試部分。 200mm 流量計(jì)安裝在高壓回路中的測試部分，防止太陽直射。在 300mm 管徑和 200mm 管徑變徑處下游 5D 處安裝一臺(tái)流量調(diào)節(jié)器（ Daniel Profile ）。在兩臺(tái)流量計(jì)之間至少有 5D 的距離，在流量調(diào)節(jié)器和超聲流量計(jì)之間留出長至 24D 的長度。 200mm 的渦輪流量計(jì)安裝在 200mm 管徑部分，并且與 200mm 到 300mm 管徑變徑處保持至少 5D 長度。
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