超聲波流量計(jì)零流量漂數(shù)問題分析與抑制措施

何偉宏，徐潔鑫，張 靜，譚洪偉，蘇澤峰

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)廣東運(yùn)維中心，廣東 廣州 510000）

流量測(cè)量作為流體介質(zhì)供需雙方貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)，也是生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位衡量產(chǎn)能的重要指標(biāo)，準(zhǔn)確的計(jì)量結(jié)果對(duì)于公平公正的貿(mào)易結(jié)算意義深遠(yuǎn)。超聲波流量計(jì)具有成本低、安裝便捷、抗干擾能力強(qiáng)、壓力損失低、測(cè)量范圍寬、精度高等優(yōu)勢(shì)[1-2]，已被廣泛應(yīng)用于石油、天然氣等行業(yè)。

流量計(jì)作為流量數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)一次儀表，受各種影響因素的制約容易產(chǎn)生小流量波動(dòng)，從而產(chǎn)生計(jì)量誤差[3-4]，流體正常通過時(shí)微小信號(hào)與正常信號(hào)相比較小，不影響計(jì)量精度及準(zhǔn)確性，無介質(zhì)流通時(shí)零流量漂數(shù)則觸發(fā)流量計(jì)算機(jī)累計(jì)引發(fā)計(jì)量爭(zhēng)議[5]。小流量切除作為掩蓋各種因素引發(fā)流量顯示值零點(diǎn)漂移的常用手段，當(dāng)實(shí)際流量低于設(shè)定切除值則流量不會(huì)累計(jì)，同樣引發(fā)計(jì)量歧義[6]。而對(duì)于小流量切除值的設(shè)定當(dāng)前沒有規(guī)范明確，通常要視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際而定。

針對(duì)上述不足，筆者首先采用因果鏈法確定影響超聲波流量計(jì)算機(jī)零流量漂數(shù)最終因素，采用Ensuite軟件添加流量計(jì)算機(jī)控制點(diǎn)位優(yōu)化組態(tài)，通過GCScontrix 編寫流量計(jì)零流量漂數(shù)判定邏輯與場(chǎng)站分輸啟停聯(lián)動(dòng)邏輯，最終控制流量計(jì)算計(jì)計(jì)量啟停消除零流量漂數(shù)歧義。

1 超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理

1.1 流量計(jì)結(jié)構(gòu)

超聲波流量計(jì)主要由信號(hào)處理單元、超聲換能器（探頭）、流量計(jì)表體等部分構(gòu)成，如圖1 所示。其中信號(hào)處理單元接收探頭信號(hào)并將信息遠(yuǎn)傳流量計(jì)算機(jī)；探頭通過換能器端口安裝于表體，負(fù)責(zé)收發(fā)聲波，并輸出電壓信號(hào)；流量計(jì)表體部分包括上下游直管段，上有超聲換能器端口、取壓口等。此外，壓力變送器、溫度變送器、色譜分析儀及流量計(jì)算機(jī)作為輔助儀表，用以測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。流量計(jì)算機(jī)利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算介質(zhì)工況流量，并將工況流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)況流量。

圖1 氣體超聲波流量計(jì)

1.2 流量計(jì)原理

傳播時(shí)間差法氣體超聲流量計(jì)是通過測(cè)量高頻聲脈沖傳播時(shí)間得出氣體流量的速度式流量計(jì)，工作原理如圖2 所示。超聲脈沖在管道內(nèi)逆流和順流沿斜線方向傳播，傳播速度與介質(zhì)軸向平均流速有關(guān)，通過測(cè)量聲波傳播時(shí)間差，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算法計(jì)算工作條件下通過氣體超聲流量計(jì)的氣體軸向平均流速和流量。

在充滿氣體的密閉管道中，超聲波傳感器（探頭）沿管壁安裝，直接與氣流接觸，2 個(gè)傳感器發(fā)射超聲波后由對(duì)方互為接收。圖2 中a、b 為2 個(gè)超聲換能器，聲道與管道傾斜夾角為θ，管道內(nèi)徑為D，聲道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，聲道距離為x。在一些流量計(jì)中采用了反聲道，此時(shí)聲脈沖在管壁上經(jīng)歷一次或多次反射。

圖3 流量計(jì)零流量漂數(shù)影響因素

圖2 氣體超聲流量計(jì)工作原理圖

若管線內(nèi)氣流無流動(dòng)，聲波以相同的速度在管道沿聲道的2 個(gè)方向傳播；若管線內(nèi)介質(zhì)流速大于0，聲波順氣流方向傳播速度較快，反之則較慢。其中，順氣流方向時(shí)間與逆氣流方向時(shí)間計(jì)算公式為：

式（1）（2）中：L 為聲道長(zhǎng)度，m；Cd為聲波在氣體中的速度，m/s；V 為氣體介質(zhì)平均流速，m/s；θ為傾斜聲道與管道軸線的夾角，°。

由式（1）與式（2）可得氣體流速與聲速為：

2 超聲波流量計(jì)小流量切除

2.1 零流量漂數(shù)切除概述

小信號(hào)切除是流量?jī)x表中的特殊要求，是一種用于解決流量計(jì)漂移掩蓋矛盾的方法。當(dāng)管線內(nèi)介質(zhì)正常輸運(yùn)時(shí)，漂移信號(hào)不足以影響計(jì)量的精度和準(zhǔn)確度；當(dāng)管線停輸無泄漏時(shí)，小信號(hào)存在則導(dǎo)致流量計(jì)算機(jī)誤累計(jì)，引發(fā)計(jì)量歧義，通常通過設(shè)定切除值，將低于該值的小信號(hào)切除在計(jì)量范圍之外。當(dāng)前對(duì)于切除值的設(shè)定沒有明確規(guī)范，通常由廠家出廠前或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況做好流量計(jì)小信號(hào)切除設(shè)定，該值的設(shè)定存在不確定性。

2.2 零流量漂數(shù)原因分析

西氣東輸對(duì)流量計(jì)的切除設(shè)定沒有明確規(guī)定，西三線閩粵支干線現(xiàn)場(chǎng)用Q.Sonicplus6 聲道系列超聲波流量計(jì)切，除值由廠家出廠前設(shè)定，設(shè)備靈敏度及精度較高，設(shè)定值不足以滿意現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，停輸期間存在零流量漂數(shù)問題，流量累計(jì)存在引發(fā)計(jì)量爭(zhēng)議的可能。

研究就現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際可能引發(fā)流量計(jì)零流量漂數(shù)可能性，確定管線內(nèi)介質(zhì)擾動(dòng)，環(huán)境噪聲污染，計(jì)量系統(tǒng)本體缺陷以及管線閥門機(jī)械設(shè)備泄漏，為導(dǎo)致流量計(jì)零點(diǎn)漂移的父影響因子?；谝蚬湻ㄟf推衍生影響自因子形成因果關(guān)系樹圖如圖3 所示。根據(jù)關(guān)系樹圖開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際排查，最終確定計(jì)量系統(tǒng)Q.sonicplus一次儀表高精度、高靈敏度及流量計(jì)算機(jī)功能組態(tài)不完善為零漂的根本原因。

3 流量計(jì)零流量漂數(shù)切除方法及效果分析

3.1 零流量漂數(shù)切除方法

PCS 與流量計(jì)系統(tǒng)的通信是通過PLC 系統(tǒng)COM521 模塊實(shí)現(xiàn)的，流量計(jì)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)流量計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換后通過RS485 傳至PLC，PCS 實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

為消除流量計(jì)停輸零點(diǎn)漂移導(dǎo)致流量計(jì)算機(jī)累計(jì)可能引發(fā)的計(jì)量歧義，采用Ensuite 軟件組態(tài)添加流量計(jì)算機(jī)計(jì)量啟停控制點(diǎn)位700，PLC 通過賦值給點(diǎn)位控制流量計(jì)算機(jī)啟停，如圖4 所示。圖4 在計(jì)量撬出口5302#閥門全關(guān)到位（ZSL_5302）分輸完成，500 ms時(shí)段觸發(fā)流量計(jì)投用狀態(tài)（FT5201_Control_STATUS）并使流量計(jì)自動(dòng)停止計(jì)量（R1_S6_FT5201_WRITE_INT.ⅤAR0 ）， 停 止 計(jì) 量 的 狀 態(tài) 通 過 PLC（FT5201_Control_STATUS_OK）采集反饋PCS 上位系統(tǒng)，如圖5 所示，對(duì)應(yīng)指示燈變紅，也可通過上位機(jī)組態(tài)按鈕（FT5201_Control_CMD）手動(dòng)停止計(jì)量。值得一提的是閥門狀態(tài)反饋通常在投產(chǎn)前由廠家做好設(shè)定測(cè)試，因而出現(xiàn)閥位反饋錯(cuò)誤極端可能性較小，即使發(fā)生通道故障，由于全開/關(guān)到位為長(zhǎng)閉觸點(diǎn)，閥門發(fā)聵中間態(tài)，同樣可保證流量計(jì)算機(jī)處于投用計(jì)量狀態(tài)；對(duì)于計(jì)量撬出口閥門內(nèi)漏的情形，當(dāng)前只能通過加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢的方式，一旦發(fā)現(xiàn)Q.sonicplus信號(hào)處理單元流量累計(jì)持續(xù)攀升，則應(yīng)手動(dòng)投用計(jì)量，并及時(shí)處理泄漏故障。

圖4 小流量消除自控邏輯

圖5 PCS 上位機(jī)組態(tài)畫面

對(duì)于流量計(jì)算機(jī)投用，綜合考慮了場(chǎng)站自動(dòng)啟輸邏輯、5302#閥非全關(guān)到位以及手動(dòng)投用3 種情形。滿足三者之一，PLC 則會(huì)使能下發(fā)啟動(dòng)1 指令至流量計(jì)算機(jī)開始計(jì)量，并反饋投用狀態(tài)至上位機(jī)。該法有效規(guī)避了停輸狀態(tài)下，流量計(jì)算機(jī)零流量漂數(shù)導(dǎo)致的流量累計(jì)問題，同時(shí)極大降低了對(duì)于小流量切除值設(shè)定的需求。

此外，由于PLC 與流量計(jì)算機(jī)通過RS485 通信，在流量計(jì)算機(jī)停止計(jì)量期間，若發(fā)生通信中斷，流量計(jì)算機(jī)將保持停用狀態(tài)，此時(shí)對(duì)流量計(jì)算機(jī)上電重啟無法消除停用指令，直至通信恢復(fù)邏輯解除方可投用，或者將未改造前流量計(jì)算機(jī)組態(tài)下裝至流量計(jì)算機(jī)方可投用。若要規(guī)避上述問題，PCS 上位可通過與Q.sonicplus直接建立通信，西氣東輸目前未對(duì)該機(jī)預(yù)留備用通信線纜，屬設(shè)計(jì)層面問題，未來值得深入研究。

3.2 應(yīng)用案例及成效分析

上述功能已在閩粵支干線揭陽分輸站完成測(cè)試，圖6 為FT5201 停輸工況下，功能投用前后6 h 時(shí)段內(nèi)，瞬時(shí)標(biāo)況流量與時(shí)間的關(guān)系圖，由圖6 可知，投用前該路流量計(jì)存在間斷性小流量漂移，投用后小流量漂移問題得以有效解決。

圖6 改造前后流量計(jì)標(biāo)況瞬時(shí)量

4 結(jié)論

基于Eesuite 組態(tài)流量計(jì)算機(jī)計(jì)量啟停控制數(shù)據(jù)點(diǎn)、組態(tài)PCS 上位機(jī)計(jì)量投用及狀態(tài)反饋畫面、GCScontrix 編寫PLC 手/自動(dòng)控流量計(jì)算聯(lián)動(dòng)邏輯，可有效實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站啟停輸與流量計(jì)算機(jī)投用與停止計(jì)量的聯(lián)動(dòng)控制，可有效消除場(chǎng)站停輸狀態(tài)下的零流量漂數(shù)累計(jì)問題。

方法的實(shí)現(xiàn)一定程度上可免除流量計(jì)對(duì)小流量切除值設(shè)定的需求，有效規(guī)避了傳統(tǒng)小流量切除值設(shè)定不確定性的弊端，填補(bǔ)了當(dāng)前小流量切除值設(shè)定無明確規(guī)定的弊端。

通過建立Q.sonicplus與上位機(jī)間的直接通信，規(guī)避PLC 與流量計(jì)算機(jī)RS485 通信中斷小概率事件發(fā)生指示流量計(jì)算機(jī)無法及時(shí)投用計(jì)量的弊端有待深入研究。