塔里木油田 晁宏洲 譯 王文華 校
超聲技術已經達到了一個相當成熟完備的程度，它已廣泛被各種測試團體接受。但是，要想在將來象其它技術，比如渦輪和孔板流量計一樣被廣泛使用，超聲流量計還有技術上和經濟上的具體工作要做，以期在將來占有預計的市場份額[1]。
除了眾所周知的天然氣傳輸管道中體積流量計量外，即將面臨一個大的需要，即在遙遠、任意的地點，比如生產地、集輸線上測量天然氣的能量含量。
這篇文章描述一個整體的天然氣能量測量的系統。它的基礎是一臺用于財務、貿易結算的新型超聲流量計。這種流量計被設計成在傳統的超聲測量點使用，跟在現場使用一樣。真正的現場今天反而不使用超聲流量計了。整個系統的功能，如在太陽能驅動下操作，強大的數據傳輸，無線通訊技術，使得它非常適合遠程地區。除了超聲流量計方面眾所周知的優點外，該系統在聲速檢查的基礎上提供了一種真實的自診斷功能，因此它滿足了系統在偏遠地區使用的特征。它對降低與流量計維護修理有關的人力費用非常重要，將會保證測量數據有較好的可信度。
2 應用超聲流量測量技術的能量計量系統
在世界范圍內，天然氣是以能量單位買賣的。在天然氣管線中，現在還沒有直接測量能量的獨立的流量計。能量計量系統由測量體積流量的氣體流量計、帶有自動采樣器的氣體組成分析設備組成，并普遍使用積算儀。應用于能量計量系統中的氣體流量測定技術包括從簡單的孔板、渦輪流量計直到最新的“超聲氣體流量計”。
這里描述的系統利用了各組成部分均低能源消耗的長處，使得系統可以完全由太陽能充電的電池驅動。作為選擇，交流和直流電源均可以驅動系統各組成部分。
2.1 系統描述
要確定天然氣的能量需要描述于圖1中的系統和它的各個組成部分以及其它儀器儀表。各主要部分在下面介紹。
圖1-天然氣能量計量系統
這里建議的能量計量系統使用圖2所示的集成式的，可以長時間連續工作的超聲流量計。傳感器技術中使用小型化的超聲換能器，它具有非常小的壓力、溫度影響的交*敏感度。這可以使流量計在一個很寬的溫度范圍和低到大氣壓的很寬的壓力范圍內操作。
管路交匯處分布超聲通道，當地氣體流速信息從聲道獲得。綜合實際流速分布，就可以確定體積流量。利用這些信息，再把流量計的結構尺寸特征考慮進來，由隨車攜帶的計算機處理。有關實際測定的流速、管道速度、聲速和計算出的體積通過數字通信界面傳向系統流量計算機。
集成的超聲氣體流量計（圖2）由于沒有可動部件因而本質上無需維修。包括遠程診斷在內的寬范圍的通信選項減少了總體需要的維修。
圖2-TotalSonic超升流量計
BTU能量分析儀
BTU分析儀基于氣相色譜原理。設備自動地從管線中采集氣體樣品并進行分析，在貿易結算要求的精度內確定它的分子組成和熱值。這些相關的信息被用來計算氣體密度、超壓縮因子和它的發熱量。使用這種氣體分析的先進設備，氣體組成的分析數據可以在幾分鐘內得到。隨車攜帶的控制儀將會存儲分析結果。日后這些數據可以由系統計算機調出來使用。當完成一個新的分析后，這些存儲的數據可以得到更新，整個過程大約3分鐘。
符合MODBUS協議的標準系列通信接口（RS232、RS422和RS485）使得流量計算機可以非常容易地訪問最新氣體分析數據。管理系統和計算機使用人-機對話界面（MMI）。有3個遠程的和1個當地的通信接口。系統支持的通信協議包括遠程/當地人機對話界面，到打印機/控制臺的工程界面，ASCⅡ（HCIA）主機界面，Modbus、DSFG和PTB打印輸出。
總體的設計模式把所需要的平均維修時間從幾周減少到幾小時。使用數字技術兩次校準之間需要的時間已擴展到幾個月。
系統流量計算機
流量計算機是計量系統的中央處理單元。它訪問從氣體分析儀得到的最新的分析數據。從流量計獲得流速信息，包括壓力和溫度讀數，使用獲準的和當地計量部門認可的（比如AGA、PTB、NMI）計算方法，天然氣中的能量就可以計算出來。
流量計算機的功能包括在用戶選擇的時間間隔內獲取和存儲臨界數據。所有已存儲的數據可以應用流量計算機的通信選項遠程訪問。可用的通信選項是借助調制解調器、無線電、通信衛星的標準電話線。
可以在固定的或移動的PC機上運行的適應性很強的軟件被用來就地或遠程與流量計算機通信、監控、獲取數據和診斷。
2.2 通信界面和數據傳輸
系統流量計算機與系統氣體分析儀系列通信。TotalflowBtu8000型氣體分析儀和大多數其它工業標準氣相色譜儀及分析設備都符合Modbus協議。流量計算機從系統分析儀存儲器中調取需要的數據。如果沒有在線的氣體分析儀，需要的信息可以手工輸入進流量計算機，并在有了新的數據時予以更新。
使用超聲流量計狀態參數時，最好能通過系列通信界面連接到流量計算機。TotalSonic和許多在氣體計量工業中應用的超聲流量計都符合Modbus協議。同時提供了到其它形式的氣體流量計的脈沖和模擬流量計量界面。
所有數據處理的結果以用戶自己選擇的時間間隔存儲在流量計算機的存儲單元中，確保不會丟失。如圖3中所示，這些信息，包括最新的文件，系統控制數據都可應用調制解調器、無線電、通信衛星等當地或遠程的通信界面進行訪問。
圖3-與共同的網絡和/或互聯網通信
為了保證系統正確的操作和得到高質量的數據，系統的每一組成部分都需要符合設定的規范。因此，每一測量設備都進行許多操作和狀態檢查。如果系統出了問題或需要維修，每一組成部分都與系統中央單元通信，這樣就有可能管理和/或監控系統。系統的每一組成部分可以與當地和/或遠程診斷軟件溝通決定系統狀態和分析問題。
控制系統性能的一個簡單和有效的方法是通過從TotalSonic超聲流量計得到的聲速信息和根據氣體分析儀氣體組成分析數據計算得到的天然氣中的聲速。為了實施計算功能，可以使用一種商業上可行的軟件包，或經過許可的并已編程的AGANO10[2]號報告中描述的方法。這些計算和比較可以按預定的時間間隔或連續地實施，并且用戶設置偏差和極限來觸發報警系統來表明系統性能出現了問題。
3 TotalSonic超聲流量計的描述
3.1 操作原理
TotalSonic流量計應用著名的傳播時間測量的原理。在表體內安裝超聲傳感器，由它來確定通過通道，與氣體流動方向成60°角度。
圖4-傳播時間測量的原理
聲道在斷面上的布置結構對流量計的性能有很重要的影響。已經有很多不同聲道斷面的文章發表，典型的為3-6個聲道，其中應用了直接傳播和反彈聲道技術。
對于TotalSonic流量計（圖5），選擇使用了4聲道斷面布置。這一點與Whyler[3]建議的非常相似。
圖5-TotalSonic流量計聲道斷面圖
? SICK公司（見后面）發展起來的高精度測量時間的換能器技術不需要擴展聲道長度。這種測量在總不確定度的貢獻小于10%--在大口徑時就更小；
? 不采用彈性聲道的技術消除了管內的反射點。這一點可以改變它的一些特征，比如因雜質或管壁粗糙程度而產生了附加不確定度的特征。表體的機械加工被簡化了，因而降低了生產成本；
? 反射的避免節約了聲能。這使得可以減小電源輸入，允許在所有的操作條件下包括大氣壓、氣體低密度（H2）或高聲能衰減（CO2）等運行更大口徑的流量計；
? 這種特殊的聲道斷面布置結構可以很好地補償（但不測量）由于旋渦流引起的測量偏差。這一點通過高壓、常壓下大量試驗已得到證實；
? 采用4聲道，并且具有補償旋渦流功能的聲道布置結構的流量計，比采用6聲道，但可以獨立測量旋渦流補償的流量計節省了成本。這一點使得超聲技術的成本比較接近于機械技術。
3.3 換能器技術
眾所周知，換能器是超聲流量計的核心和起決定性作用的部件。大多數現在應用的換能器采用所謂聲學匹配層來與氣體阻抗和固體表體匹配。
SICK/ABB的換能器技術基于全金屬設計，不使用任何匹配層（圖6）。這種阻抗的匹配通過完全用鈦制造的聲能變壓器的特別設計來實現。設計工藝基于兩個要點：
1.20年的換能器設計經驗用于控制發射的高熱可燃性氣體流量計量系統中；
2.強大的理論支持--所有的換能器使用FEM方法和電機轉換技術，從理論上建立了模型。
圖6-換能器
? 換能器小型化使得前面描述的聲道斷面布置結構適用于小口徑（3″和4″），這樣流量計可以造的很緊湊；
? 傳播時間的高精度測量使得60°安裝成為可能--這使得換能器端口或換能器突入流體的部件造成的紊亂得以減小；
? 金屬聲能變壓器具有高效性--使得流量計可以在常壓和高到100bar的高壓下用同一種類型的換能器操作；
? 理論模型允許對設計參數進行有效的控制。這使得壓力和溫度不依賴于換能器性能，不需要進行補償；
? 不使用匹配層和溫度敏感膠的作法允許系統在高達200℃的溫度下操作；
? 換能器機械制造的高再現性保障了傳播時間測量的高再現性。這是換能器在不改變流量計基線的情況下變換的前提；
? 很高的信號強度和寬波使得可以在非常高的氣體速度下測量（可以允許40-80m/sec，決定于流量計管徑大小）；
? 使用高頻率防止電子管等安裝設備的噪聲妨礙。
