管道天然气超声流量计在线检验系统设计.pdf

1 0 4 传感器 微 系统 T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 2 0 1 1 年 第 3 0卷 筇 8期 管道天然气超声流量计在线检验 系统设计 吕几凡 ， 程佳 ，李东升‘ ，吴焕芬‘ 1 ． 中国计量学院 计量测试工程学院 。 浙江 杭 州 3 1 0 0 1 8 2 ． 浙江省计量科 学研 究院 热能所 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 3 摘要为了提高管道天然气超声流量计的检验效率， 对基于声速比较的超声流量汁在线检验技术进仃 了研究探索。阐述了声速比较检验法的理论依据与步骤 ， 并建立 r声速计 算模型。根据俭验规程和现场 实际情况设汁了一种基于声速比较法的超声流量计在线检验系统软硬什 利川 c 坪 台 发设计陔系统 的检验程序。该系统通过以太网与流量计算机连接 ， 同步读取流量， 实洲声速 、 压力、 温度 、 信号增益、 信噪 比等参数， 通过内部核心软件计算出理论声速， 并结合数据库判断相关参数是含合格。实验结果表u J ] 研 制成功的检验系统人机界面友好 、 操作简便， 温度 、 压力、 组分等关键参数渎取稳定， 理论卢速计算误差小 于 0 ． 2％， Ⅱ检验结果重复性优于 0 ． 0 5 ％。 关键词 超声 流量计 ； 声速 比较法 ； 在线检验 系统 中图分类号 T P 2 0 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 1 0 8 - 0 1 0 4 - 0 3 De s i g n 0 f p i pe d n a t ur a l g a s ul t r a s o n i c f l o wme t e r 0 n． 1 i n e t e s t i ng s y s t e m 一 一 L 0 l 『 i f a n ．CHE NG J i a 。 ，L I D o n g s h e n g ，WU Hu a n f e n 1 ． C o l l e g e o f Me t r o l o g y a n d Me a s u r e me n t E n g i n e e r i n g ， C h i n a J i l i a n g U n i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 8 ， C h i n a 2 ． Z h i a n g P r o v i n c e I n s t i t u t e o f Me t r o l o g y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 3 ， C h i n a 0 引 言 趟声流鲑计具有测量精度高 、 量程比大、 能实现双向流 汁量等特点”。』 泛的应用于高压、 大 口径 、 高精度 的 天然气流 计 日前， 常用的超声流量计在线检验方法 是标准流量汁法， 但在天然气计量站安装标准流量 操作 比较繁琐 ， 且需要人亲手安装拆卸标准装置， 存在着一些安 伞问题 ， 另外 ， 一般天然气计 量站都在 离市 区较远 的地方 ， 把沉重的标准装置送 到检验地 既小 方便 ， 也会带 求岛 额的 运输费用。由于上述 题的存在， 使得各个同t家告 J5 把 } I 光 投 向 _『比较方便怏捷 声速 比较 线检验 法 ，[ { 前， 内成 都天然气流量站的科研技术人员率先开展研究实验， 他f 『 J 对选取 了 3个厂‘ 家 4台小同型 号口径 的超声 流 i 卜 进 仃声 速比较法测试 。 。在国外， 艾默牛过程控制有限公 川 始尝试对 其提供 的丹尼 尔赳声流量 汁产 品采川此力 法进仃 收稿 日期 2 0 1 1 一 】 6 9 基金项目 浙江 省科厅重大科技专项优先主题 重点项 目 2 0 0 9 C l 1 0 0 8 ； 浙江省质量技术骱 督系统一般科研 汁划项 目 2 0 0 9 0 2 0 2 一一～～一一～一～一一 ～ ～一～～～一一一一～一 一 一～一～一一一～一一～ 一 一～一一一～一～～一． ～ ～～一～一～一一一一一 一 一一～一一一一～一一～ 一 一一一一一一一一一一一 一 一～一一一一一一一一一一～ ～一一一～～．一一一～一一一～一 第 8期 吕几凡， 等 管道天然气超声流量计在线检验系统设计 1 0 5 检验并取得了初步的成果。 中国计量学院对基于声速 比较的在线检验方法进行了 研究 ， 并设计 了基 于声速 比较法 的超声流 量计 在线 检验 系 统 ， 该系统能与流量计算机通信， 具有同步采集存储天然气 压力 、 温度、 组分等参数的功能。并同步记录超声流量计数 据 、 根据 A G A 1 0号报告计算声速 ， 结合数据库数据进行智 能分析 ， 对流量计进行检验 ， 最终打印检验结果。提供了人 性化的人机界面， 便于计量检定人员的操作。 1 声速比较检验法原理 目前 ， 声速比较法的理论依据 比较成熟 ， A G A 8天然 气和气体碳氢化合物压缩因子 提出了 A G A 8 - 9 2 D C计算方 法 ， 此方法使用的方程式基于这样 的概念 管输 天然气 的 容量性质可由组成来表征和计算。天然气组分、 压力和温 度用作计算方法的输入数据。用此方程可计算出管道天然 气的压缩因子。计算出压缩因子之后通过 A G A 1 0天然气 和其它气体碳氢化合物的声速 或 I S O 2 0 7 6 5 1天然气一 热 力学性质的计算 提出的天然气声速计算方程 J ， 便可精 确确计算出超声波在天然气中传播的速度， 并参照超声流 量计检定规程， 首先对流量计状态进行检验， 确认无误后 ， 用此理论声速与超声流量计实测得的声速进行对 比， 实现 检验 。 2 声速计算模型 2 ． 1 计算压缩因子 压缩因子的计算方程如下所示 Z I 印 - p ， ∑ c ∑ c b 一 c ⋯ k k p p 一 c ， 1 式中Z为压缩因子 ； B为第二维利系数， m 。 k m o l ～； p 为天然气摩尔密度， k m o l m_ “ ； p 为天然气对比密度 ； b ， c ， k 为常数； c 为温度 、 组分相关函数。 2 ． 2 计算声速 在计算压缩因子后， 用式 2 计算声速 c [ c ,, fk M r Z P m ， 式中C为声速， m s _ 。 为天然气实际状态下的定压比 热容 ， k J- k g _ 。 K～； c 为天然气实际状态下的定容 比热 容 ， l J k g ～ K_ 。 ； R为气体常数 ， MJ k m o l ～ K～； T为 管道内温度， K； M， 为天然气的摩尔质量 ， k g k m o l ～。 3 在线检验系统设计 研制的天然气超声流量计在线检验装置的系统框图如 图 1 所示 ， 系统主要 由安装检验分析软件的防爆 电脑和天 然气采样器组成。 系统工作过程如下 天然采样器安装在被检超声流量 量检定 人 员 数据库 l j人机界面 ； 防 爆 电 脑r 以太 网 流量计算机 l 盛 { 流 量 计 【 传 感 器 l 债 感 器 l L 二 -_ 二 二 二 高压管道天然气管道 天然气 采样器 图 1 在线检验装置系统框图 Fi g 1 Bl o c k d i a g r a m o f o nl i n e i n s p e c t i o n de v i c e s y s t e m 计附近采样 口上 ， 对天然气进行多时间点的采样， 并在采样 瓶上做好标记 ， 采样完毕后， 通过色谱仪对采样的气体进行 组分分析， 组分分析结果记录到流量计算机 中。检验装置 通过以太 网与流量计算 机连 接 通信 协议 是 MO D U S T C P ， 同步读取流量计算机 中管道天然气的组分 、 压力 、 温 度及超声流量报警记录、 信号增益、 信噪比等参数信息并存 储到数据库中。结合采集到的数据与数据库中的历史数 据， 通过检验分析软件得出检验结果， 最后打印检验报表。 3 ． 1 硬件 系统设计 在线检验系统硬件主要由装有检测软件的防暴电脑与 移动活塞式天然气采样装置组成。检验系统硬件构建如 图2 Pg示 ， 被检验流量计和色谱分析仪以及流量计算机通 过串口通信， 把各项数据传人流量计算机中。温度、 压力变 送器与流量计算机数据采集口相连接。防暴电脑与流量计 算机通过以太网连接 通信协议是 MO D U S T C P 读取流量 计算机中天然气的温度、 压力 、 组分以及流量计实测声速、 报警数据、 信噪比、 信号增益值等参数， 并把这些数据存储 到数据库中。检测软件通过调用数据库 ， 检测流量流量计 状态以及计算声速。移动活塞式天然气采样装置在实验室 使用工作模式下使用。用于采集天然气样品， 并送往实验 室进行组分分析。 防爆 电脑 检测软件 、数据库 t以 太 网删 s T c { 苎 竺 垫 I ▲ l I l l I 超声l温度J压力 色谱仪 流髓计 i 传感器 l 传感器 高压管道天然气管道 检 测 荐 _ 据 库 『 ． - ] 色 谱 仪 检 测 软 件 、 数 据 库 I i ⋯一 T 以太网 O D U S 』C P 薅画 超声 】温度I 压力 流爨计 f 传感器 『 传感器 高 压 管 道 天 然 气 管 道K 篓 a 在线使用模式 F 检验装置硬件架构 【 b 1 实验室使用模式 下检验装置硬件架构 a 】 h a r d w a r e a r c h i te c t u r e o f in s p e c t io n C o h a r d w a r e ar c h i te c tu r e o f in s p e c ti o n d e v i c e i n o n l i n e u s i n g mo d e d e v i c e i n l a b o r a t o r yus i n g mo d e 图 2 在线和实验室使用模式下检验装置硬件 架构 F i g 2 Ha r d war e a r c h i t e c t u r e o f i n s pe c t i o n d e v i c e i n o nl i n e a n d l a b u s i n g mo de 3 ． 2软件 系统设计 在线检验装置软件系统由智能检测软件 包括声速计 1 0 6 传 感 器 与 微 系 统 第3 0卷 算对比软件 、 流量计状态检测软件 和数据库两大部分组 成， 分为在线使用和实验室使用两大工作模式。 在在线工作模式下， 用户输入被检流量计编号与检验 日期， 进入检验界面对相应流量计进行检验。流量计算机 使用相应的组态软件 如 6 0 0使用 c o n fi g 6 0 0软件 对流量 计 、 色谱仪及温度、 压力变送器传人的数据 如， 温度 、 压力、 组分 、 实测声速等 进行组态并对其所在的寄存器重新分配 地址， 检验系统与流量计算机通信， 同步读取流量计算机中 天然气的温度 、 压力、 组分以及报警数据、 信噪比、 信号增益 值等参数并存储到数据库。首先， 流量计状态检测软件会 对流量计报警数据进行检查， 确认无 自身引起错误报警情 况之后， 调用数据库中历史检验数据， 对读取的超声流量计 每一声道信号的增益值 、 接收信号的百分比、 信噪比等数据 进行 分析 如果较上一次检验数据偏差较大 ， 会提醒 用户应 送检， 如果偏差在说明书合理范围内则开始执行声速对比 采样检验 用户设 置采 样 时间 、 采样 频率 。开始采 样 检验 系统对超声流量计每一声道的实测声速进行多时间点的采 样， 自动记录并储存到数据库中。同时声速计算软件读取 数据库中记录的天然气的温度、 压力、 组分并作为软件的输 入数据， 该软件严格参照 A G A 1 0中声速计算方法， 计算理 论声速。采样结束后， 通过记录的各时问点实测声速计算 采样时间内的平均实测声速， 结合理论声速计算相对误差， 如果相对误差在说明书合理范围之外提醒 用户送检 。最后 打印检验报告 。 实验室使用工作模式主要针对检测现场无法提供色谱 仪的情况。在这种情况下， 装置使用方法与在线工作模式 基本相同， 唯一不同的就是在计算理论声速时， 需要利天然 气采样装置埘管道天然气采样， 把样品气送入实验室进行 组分分析， 再把组分数据手动输入到检测软件中。 该系统使用 S Q L S e r v i c e 数据库， 用于存储管理被检超 声流量计的检验数据 每声道实测声速 、 信噪比、 理论声速 等 。为了方便对被检验流量计状态做直观描述。对各个 检验数据建立了趋势图。用户可以输入被检流量计编号进 入数据库 管理 系统 ， 查看相应流量 计当前或历 史检验结果 ， 并打印报表。整套系统的软件部分使用 C -3 z 台进行开发 设计 ， 软件流程 图如 图 3所示。 4 实验 4 ． 1 实验 主 要设 备 1 G C 5 7 0型气相色谱仪， 不确定度为4 ． 6 ％ ； 2 WZ P K B - 2 4 1 G S P t 1 0 0型温度变送器， 精度为1 ． 5级； 3 3 0 5 1 S 2 T G 4 A 2 E 1 1 A 1 A B 4 K 5 M5 T 1型压力变送器， 精 度 为 0 ． 5级 。 4 ． 2 实验 结 果 声速对 比结果 ， 如表 1 。 报 警 J数据整理J ] 一 ／＼～ 声速对 比软件 对误差 要 世 1 1 0 0 l 1 5 O 1 2 0 0 1 2 5 0 采样点数 f a 1 正向检测信号 a c l o c k wi s e t e s t i n g s i g n a l 采样点数 b 反向检测信号 C o c o u n t e r c l o c k wi s e t e s t in g s i g n a 图 7 检测 系统 的盲孔检测信号 F i g 7 Bli n d h o l e t e s ti n g s i g n a l o f t h e i n s p e c tio n s y s t e m [ 3] 彭应秋 ， 朱惠， 张红 波． 管状螺 纹连 接件超 声探 伤方 法研 究[ J ] ． 南 昌航空工业学 院学报 ， 1 9 9 8 3 8-1 3 ． [ 4] 张庆社． 无 磁钻 具 螺纹 的超 声波 检测 [ J ] ． 无损 检测 ， 2 0 0 4 ， 2 6 8 4 2 3--4 2 4 ． [ 5 ] D i n g J i n f e n g ， K a n g Y i h u a ． T u b in g t h r e a d t e s t i n g b y M F L [ J ] ． NDT E I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 6， 3 9 5 3-5 6 ． [ 6 J K n i g h t M J ， B r e n n a n F P ， D o v e r W D． E f f e c t o f r e s i d u a l s t r e s s o n AC FM c r a c k me a s u r e me n t s i n d r i l l c o l l a r t h r e a d e d c o n n e c t i o n s [ J ] ． N D T E I n t e ma t i o n a l ， 2 0 0 4， 3 7 3 3 7 -3 4 3 ． [ 7 ] 谢金祥 基于钻具自磁化的螺纹无损检测方法及应用[ D ] ． 武汉 华 中科技大学 ， 2 0 0 8 79 ． [ 8 ] S u n Y a n h u a ， K a n g Y i h u a ， Q i u C h e n ． A p e r ma n e n t m a g n e t i c p e r t u r b a t i o n t e s t i n g s e n s o r [ J ] ． S e n s o r s a n d A c t u a t o r s A， 2 0 0 9 ， 1 5 5 2 2 6--2 3 2． [ 9 ] 康宜华 ， 孙燕华 ， 邱晨． 一种永磁磁扰动无损检测方法 与装 置 中国 ， 2 0 0 8 1 0 0 4 7 6 9 5 ． 3 [ P] ． 2 0 0 8 1 0 - 0 8 ． 作者简介 胡晓亮 1 9 8 6一 ， 男 ， 江苏沭阳人 ， 硕 士研 究生 ， 研究方 向为磁 性无损检测系统。 、0 、 0 、 t ，tj 、 0 、 0 ； t ’一 、 、， ；’一 t t j t； t t j 一 t t 、 0 ＼ tj t ； 、 ＼ 0 ． 它 ； 、 ￡ ． t ，； ； t ． Pt t p 上接 第 1 0 6页 [ 5 ] I S O 2 0 7 6 5 1 ， N a t u r a l g a s c a l c u l a t i o n o f t h e r m o d y n a m i c p r o p e r - [ 2 ] 廖志敏 ， 熊珊 ． 超 声波流量 计的研究和应 用 [ J ] ． 管道技 术 t i e s ～P a n l G a s p h a s e p r o p e r t i e s u s e d i n t r a n s m i s s i o n a n d d is 一 与设备 ， 2 0 0 4 4 1 2-1 3 ．t r i b u t i o n a p p l i c a t i o n [ S ] ． [ 3 ] 闵伟 ， 李万俊 ， 周芳 ． 关于气体超声流量计使 用 中检验 的 [ 6 ] A me r i c a n G a s A s s o c ia t i o n AG A ． S p e e d o f s o u n d i n n a t u r a l g a s 探讨[ c ] ∥2 0 1 0年全国流量测量学术交流会论文集， 上海， a n d o t h e r r e l a t e d h y d r o c a r b o n g a s e s [ R ] ． [ s ． 1 ． ] A m e r i c a n G a s 2 0 1 0． 1 9-2 0． As s o c i a t i o n， 2 0 0 3． [ 4 ] A m e r i c a n G a s A s s o c i a t i o n A G A ． C o m p r e s s i b i l i t y f a c t o rs o f H a 一 作者简介 t u r a l g a s a n d o t h t e r r e l a t e d h y d r o c a r b o n g a s e s [ R ] ． [ S ． 1 ． ] A 一 吕几凡 1 9 8 7 一 ， 男， 浙江金华人， 硕士研究生， 研究方向为测 me r i e a n G a s A s s o c i a t i o n 1 9 9 2 ． 试 计量技术 与仪 器。