城市燃?xì)獾牡蛪合到y(tǒng)中對小氣量用戶使用超聲波計(jì)量的技術(shù)應(yīng)用研究

吳國章 于際

涿州濱海燃?xì)庥邢薰?，中國·河?涿州 072750

1 引言

隨著天然氣的普及推廣，農(nóng)村采暖和非居小氣量用戶越來越多，安裝和使用環(huán)境也呈現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性，現(xiàn)有燃?xì)獾蛪嘿Q(mào)易計(jì)量的安裝要求、計(jì)量精準(zhǔn)度不能夠滿足部分用戶的需求，需要改進(jìn)。

2 現(xiàn)有低壓計(jì)量設(shè)備類型分析

目前被廣泛使用的流量計(jì)是：氣體渦輪流量計(jì)、氣體羅茨流量計(jì)、皮膜流量計(jì)，存在如下問題：①渦輪流量計(jì)適用于大氣量用戶，使用中對葉輪的軸承的要求很高，安裝過程中對計(jì)量前的直管段和水平度均有要求，量程比窄，容易受電磁干擾，在有用氣高峰和低谷的用戶使用中會出現(xiàn)計(jì)量偏差，產(chǎn)生爭議。②羅茨流量計(jì)使用中對氣質(zhì)的要求較高，灰塵和雜質(zhì)均會影響計(jì)量，日常使用需要加注潤滑油確保流量計(jì)的自潔，對溫度、壓力等物理參數(shù)敏感，大管徑的羅茨表檢定、校驗(yàn)較困難，且不能解體保養(yǎng)，不宜在大用戶或不能停氣的用戶使用。③皮膜流量計(jì)適用于小用戶和低壓，使用中內(nèi)部元件（橡膠皮膜）容易老化，不能適應(yīng)溫壓變化大的用氣場所，體積較大，安裝不便。④超聲波用于高中壓的大計(jì)量較多，檢定檢測較復(fù)雜，使用中對氣質(zhì)要求較高，對應(yīng)用場所的電磁干擾有限制要求，目前在低壓用戶氣量計(jì)量中缺少應(yīng)用數(shù)據(jù)分析。

綜上，分析用氣環(huán)境對計(jì)量準(zhǔn)確性的干擾源影響并提出解決辦法，科學(xué)選型是對復(fù)雜用氣環(huán)境下準(zhǔn)確計(jì)量的新課題[1]。

3 低壓端測試的項(xiàng)目說明

為適應(yīng)城鎮(zhèn)燃?xì)庥脩舻挠脷猸h(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，規(guī)避不同類型的流量計(jì)的安裝和使用限制，減少計(jì)量故障和爭議、提高計(jì)量精度、降低維修養(yǎng)護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)測量精度高、維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)行穩(wěn)定的目的，模擬用戶低壓用氣環(huán)境，引入小型超聲波計(jì)量，對比不同流量計(jì)在低壓端的計(jì)量數(shù)據(jù)，通過測試不同環(huán)境中的工況和標(biāo)況的各項(xiàng)參數(shù)變化，分析并研究誤差，完善設(shè)備的計(jì)量、修正功能，實(shí)現(xiàn)參數(shù)改進(jìn)、推廣應(yīng)用的效果[2,3]。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

①2.8m3/h灶具滿負(fù)荷24小時(shí)溫度試驗(yàn)：使用獨(dú)立測量方式調(diào)節(jié)溫度測量表具在不同溫度下的精準(zhǔn)度。為家用灶滿負(fù)荷溫度試驗(yàn)見表1，家用灶滿負(fù)荷溫度試驗(yàn)折線圖見圖1。

圖1 家用灶滿負(fù)荷溫度試驗(yàn)折線圖

表1 為家用灶滿負(fù)荷溫度試驗(yàn)

②8m3/h雙眼大灶兩臺滿負(fù)荷24小時(shí)噪音試驗(yàn):采用串聯(lián)方式，測量不同分貝對計(jì)量設(shè)備的影響。

兩臺雙眼大灶24小時(shí)滿負(fù)荷噪音試驗(yàn)見表2，兩臺雙眼大灶24小時(shí)滿負(fù)荷噪音試驗(yàn)折線圖見圖2。

表2 兩臺雙眼大灶24小時(shí)滿負(fù)荷噪音試驗(yàn)

圖2 兩臺雙眼大灶24小時(shí)滿負(fù)荷噪音試驗(yàn)折線圖

③5m3/h單眼大灶一臺滿負(fù)荷24小時(shí)壓力試驗(yàn)：采用串聯(lián)方式，測量不同壓力對計(jì)量設(shè)備的影響。一臺單眼大灶24小時(shí)滿負(fù)荷壓力試驗(yàn)見表3，一臺單眼大灶24小時(shí)滿負(fù)荷壓力試驗(yàn)見圖3。

圖3 一臺單眼大灶24小時(shí)滿負(fù)荷壓力試驗(yàn)

表3 一臺單眼大灶24小時(shí)滿負(fù)荷壓力試驗(yàn)

2.8kw168小時(shí)空間（80m2）磁干擾試驗(yàn)，壁掛爐出口溫度恒定50℃：使用獨(dú)立測量方式對表具進(jìn)行噪音測試（日均用氣量12m3）。

2.8kw壁掛爐168小時(shí)滿負(fù)荷電磁干擾實(shí)驗(yàn)見表4，2.8kw壁掛爐168小時(shí)滿負(fù)荷磁干擾試驗(yàn)折線圖見圖4。

圖4 2.8kw壁掛爐168小時(shí)滿負(fù)荷磁干擾試驗(yàn)折線圖

表4 2.8kw壁掛爐168小時(shí)滿負(fù)荷電磁干擾實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方式：將超聲波流量計(jì)與燃?xì)獗?、流量?jì)串聯(lián)連接，改變噪音、溫度、壓力、電磁干擾因素，記錄不同條件下參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。

第一步：用氣環(huán)境噪音、管道壓力電磁干擾為固定量，改變用氣環(huán)境溫度-5℃、10℃、20℃，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出皮膜表及渦輪流量計(jì)受溫度影響導(dǎo)致表具計(jì)量出現(xiàn)誤差。

第二步：用氣環(huán)境溫度、管道壓力、電磁干擾為固定量，改變噪音40dB、60dB、80dB、120dB，根實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出四種流量計(jì)未受到噪音影響，計(jì)量數(shù)值符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

第三步：用氣環(huán)境溫度、噪音、電磁干擾為固定量，改變管道內(nèi)壓力2kPa、4kPa、6kPa、8kPa、10kPa，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出四種流量計(jì)均受壓力影響導(dǎo)致計(jì)量出現(xiàn)誤差，但超聲波流量計(jì)較為穩(wěn)定誤差在0.275%以內(nèi)。

第四步：用氣環(huán)境溫度、噪音、壓力為固定量，增加電磁干擾50kHz、150kHz、500kHz、1MHz、50MHz，跟據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出超聲波流量計(jì)及渦輪流量計(jì)因數(shù)據(jù)傳輸收到電磁干擾影響導(dǎo)致計(jì)量出現(xiàn)誤差。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖5、圖6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場（一）

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場（二）

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析

溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析見圖7，噪音實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析見圖8。

圖7 溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

圖8 噪音實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

管道壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析見圖9，電磁干擾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析見圖10。

圖9 管道壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

圖10 電磁干擾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理、分析，超聲波流量計(jì)計(jì)量誤差在0.3%以內(nèi)，計(jì)量誤差低于其他類型計(jì)量設(shè)備。

6 實(shí)際項(xiàng)目成果

根據(jù)超聲波時(shí)差法測量原理，對影響計(jì)量的溫度、壓力、噪音進(jìn)行試驗(yàn)對比現(xiàn)有計(jì)量設(shè)備，超聲波流量計(jì)計(jì)量精準(zhǔn)度高于現(xiàn)有計(jì)量設(shè)備，且超聲波流量計(jì)易安裝，保養(yǎng)維護(hù)費(fèi)用低。超聲波流量計(jì)采用時(shí)差式測量原理見圖11。

圖11 超聲波流量計(jì)采用時(shí)差式測量原理

其中，td為順流速度；tu為逆流速度；L為順流換能器到逆流換能器之間的距離，超聲波傳播方向與氣體流動方向夾角為θ，管線的內(nèi)直徑為D，由于流體流動的原因超聲波順流傳播所用時(shí)間比逆流所需時(shí)間短，其時(shí)間差計(jì)算公式為：

Td=L/c+Vcosθ,tu=L/c-Vcosθ

△t=tu-td=L/c-Vcosθ-L/c+Vcosθ

=L×2Vcosθ/C2-V2cos2θ

=2VLcosθ/C2-V2cos2θ

=2VX/C2/1-(V/C)2cos2θ

式中，X是兩個(gè)換能器在管線方向上的間距。為了簡化，我們假設(shè)，流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個(gè)小量。即：

V≈C (V/C)2≈0<1

△t≈2VX/C2

V=C2△t/2X

由此可見，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差成正比。流量Q可以表示為：

Q=πD2/4∫vdt

比對不同工況環(huán)境下的流量值，研究復(fù)雜用氣環(huán)境下影響計(jì)量的因子，篩查、分析壓力、溫度、噪音、壓力對計(jì)量準(zhǔn)確性的影響，比對流量計(jì)數(shù)據(jù)，分析不同選型的計(jì)量誤差因素。

7 結(jié)語

近兩年，隨著氣代煤項(xiàng)目的開展，天然氣的使用率明顯提高，對于計(jì)量設(shè)備的要求也越來越嚴(yán)格。超聲波流量計(jì)雖受電磁干擾、氣體氣質(zhì)影響，但電磁干擾可通過接地、防磁反射鍍膜有效降低磁干擾，氣體氣質(zhì)可通過加裝兩處過濾器（調(diào)壓器一處、計(jì)量設(shè)備前一處）定期排污，可有效解決氣體氣質(zhì)問題。超聲波流量計(jì)體積小，便于安裝和檢查，且不受管徑影響，計(jì)量準(zhǔn)確，有效解決了受限空間內(nèi)因溫度、壓力計(jì)量錯(cuò)誤而產(chǎn)生的爭議。