计量论文集2[共77页]

1、在线比对法在计量管理中的应用陈晓梅 张晓民（辽阳石化分公司）摘 要 本文介绍了利用超声波流量计进行在线比对的方法，测量金属管道内液体的流速，为监督和控制液体物料的计量准确性，提供行之有效的计量保证。 关键词 液体计量差量 超声波流量计 比对法应用概 述 为了解决液体计量物料的计量问题，公司先后采用了孔板流量计、容积流量计、涡街流量计、阿牛巴管、质量流量计、超声波流量计等。这些技术的推广应用，解决了大部分生产计量问题。同时也带来了如何对其正确使用和维护、如何确保其计量的长期的准确性难题。没有统一的监测手段这一难题，提出开发利用准确度为千分之二的超声波流量计在线比对液体流量的方法，解决了长期困扰我

2、们的水计量难题，为服务于生产和加强计量管理工作发挥了重要作用。问题的提出 我们公司近几年来在物料和公用工程计量交接过程中，对水的计量差量问题的处理越来越多，水资源的短缺、水价的上涨，直接影响到产品的成本，节约用水就是降低成本，由于监督手段不完善，有时只能采取硬性摊派。另外除生产用水外，公司还负责生活区居民用水，厂区附近许多小企业也利用我们的物料及水、电、气等。水线分布非常复杂，涉及面又广，计量管理工作难度很大。虽然公司近几年来在主要装置生产线上安装了流量计，但由于企业的连续生产的特点，使得一些在用计量仪表不能及时拆卸、按校准周期进行标定，其准确性难于确认。即使一些计量仪表在大修期间拆卸下来，也

3、因国内目前只有少数几家国家授权的大流量检定装置。异地标定困难很大且每台标定费用高。浪费人力物力。解决方案 在用计量仪表的使用由于缺少必要的测试验手段而不能物尽其用，是长期以来困扰我们计量工作的难题。如何尽快找出一种既科学有效又适应生产连续性需要的监测方法势在必行。1985年6月，我国正式颁布了中华人民共和国计量法。涉及到企业的主要内容有：（1）企业最高标准要经政府计量行政部门考核合格方可使用；(2)企业的强检计量器具须按检定周期及时送到政府计量行政部门指定的法定技术机构进行检定；（3）企业的非强检计量器具自行进行检定或送到有权对社会开 展量值传递工作的其他计量检定机构进行检定。这种只能通过检定

4、的方式确定计量器具是否符合要求的方式，无法解决在线计量器具的准确性考核问题。国家技术监督局于1995年5月1日颁布实施GB/T19022.1-1994-ISO10012-1测量设备的质量保证要求 测量设备的计量确认体系国家标准，在保证单位统一，量值准确的前提下，从企业原来的自上而下的检定模式转变为由量值向溯源既自下而上地寻找测量标准，进行计量确认的转化。并在计量确认的方法上更加科学的规定。其内容是：“确认方法中关键是校准方法和校准用标准器的选择。这可根据本单位的实际情况，参考有关检定系统图选取。在不能按检定系统图选取时，应保证校准设备（含所有标准）的合成不确定度不超过被确认器具的最大允许误差的

5、1/51/3。当不存在合适的标准器时，可采用比对的方法。如果比对的结果稳定性、复现性均好，而系统误差不大时，则比对的结果可作为确认的依据。”国家这一规定的正式出台，使无法进行检定的测量设备可以采用校准或比对的方法进行确认。我们通过对进口超声波流量计的试验论证后，确认超声波流量计在在线使用中具有独特的优点：它可以从厚的金属管道外侧测量管内流动液体的流速，不接触被测介质，不干扰流场，无压力损失，使用安全方便快捷，是理想的在线测试设备。我们提出利用超声波流量计做为比对设备，对液体流量进行在线比对的方法，从根本上解决了这一计量难题。目前这一方法经公司主管部门批准，已用于公司下属各分厂及公司内外水交接在

6、线流量计的比对和流量认证工作。实施原理及比对方法1理论依据 超声波流量计的测量原理是多种多样的，在这里只对时间差法做简单说明。我们将液体流动时与静止时超声波在液体中传播的情形进行比较，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。如图1-1所示，取静止液体中的声速为C，液体流动的速度为V，当声波的传播方向与液体流动的方向一致（顺流方向）时，其传播速度为（C+V），而声波传播方向与流体流动方向相反（逆流方向）时，其传播速度为（C-V），我们在距离为L的两处放两组超声波发生器与接收器（T1，R1和T2，R2），当T1顺方向、T2逆方向发射超声波时，超声波分别到达接收器R1和R2所需要的时间分别为t1和

7、t2，则：t1=L/（C+V）t2=L/（C-V） 一般情况下，液体的声速C在1000米/秒以上，而工业用的流速V一般不超过每秒几米，即由于C2V2，因此：t= t2- t1=2LV/C2 如果知道了L、C通过测量时间差t即可求得流速V。超声波流量计正是运用这个原理经过电子技术的处理后，成为一种被广泛应用的测试仪器。如图1-2T1 (C+V) R1VR2 (C-V) T2 V超声波流量计 图1-1 图1-21 比对方法我们采用经国家授权部门检定合格的超声波流量计做为比对设备，根据被测量管径的大小，采取大传感器（300mmDN1000mm）和小传感器（80mmDN45%比对时间比对表被比对表瞬时

8、量（t/h）累积量（t）瞬时量（t/h）累积量（t）9:30453546833409:50451156466349710:10452302467365210:30450453467380910:50453604464396511:10455755469412111:304509114684276瞬时量（t/h）452453467468备 注：比对结论： 准用 被比对表修正系数： 0.9679 比对日期： 2001 年 7 月 16 日 核对员： 陈晓梅 比对员：杨峰 徐大志 附表42000年测水统计表设备名称管径mm管径mm被比对表瞬时量t/h比对表瞬时量t/h年累积差量t1000SYSTEM

9、990500936090822404SYSTEM99040046834979256.4龙口涡街表20035402941517.5SYSTEM99050076007883244.5SYSTEM99050065566785198.0电磁流量计10044104308881SYSTEM9905001791771.7SYSTEM99070025502799215.2SYSTEM9903001117110014.3STSTEM4003484343938.9STSTEM990200100091870.8STSTEM9903002040196069.1SYSTEM10103005263530031.9SYST

10、EM10103004545451525.9SYSTEM10103004410445538.9合计2051.9油井计量车研制金刚 徐宁（国家原油大流量计量站 大庆 163712）摘要 为了解决油田环管流程的油井计量问题，大庆油田建设设计研究院研制了油井计量车。该计量车主要由两相立式计量分离器、气、液流量计、差压变送器、电磁阀、数据采集处理机及越野车等组成。该计量车经大庆石油管理局技术鉴定，其技术水平达到国内领先。该计量车经国家原油大流量计量站检测，其气体计量的准确度为2.5级，液体计量的准确度达到2.0级。两年来在大庆油田的应用情况表明，该计量车具有性能稳定可靠、测量准确、操作简便，能适应野外油

11、井计量的间断量油、气候条件、道路条件和配电条件的需要。关键词 油田 油井计量 分离器 流量计 车1概述油井计量车可用于测量油井的产液量、产气量，也可用于校验功图量液仪、翻斗流量计和计量间内的两相计量装置等。这套计量装置为解决环管流程的油井计量问题而研制。为满足野外油井计量的气候条件、道路条件、配电条件及间断量油的需要，在这套计量装置上配备了保温加热系统、4X4庆铃匹卡和2kVA汽油发电机等。2工作原理计量系统由笔记本电脑、两相立式计量分离器、刮板液流量计、智能旋进气流量计、差压式液位计、电磁阀等组成（见图1）。采用两相分离器对单井来液进行气液两相分离，利用分离器内压力，使气、液分别进入相应的计

12、量管路。气体经气流量计、电磁阀等排出；液体经液流量计排出。在分离器上安装差压变送器，检测分离器内的液面高度。控制器采样差压信号（420mA），并转换成液面高度（mmHO）。采用两位式控制：低掖位时积液排气，打开电磁阀，气流量计测量排气量；高掖位时憋压排液，关闭电磁阀，液流量计测量排液量。将测量时间内累积的气流量和液流量，换算成日产气量和日液流量。图1 计量车工艺自控流程图 当油井的产液量10m3/d时，采用两相立式分离器测量产液量：通过测量上液时间，计算出产液量。产液量由下式计算： Q = 86400 xPxxR2/(T1-T0)式中：Q为日产液量，t/d； P为液位差，mmH2O； R为分离

13、器半径，m； T1 、T0为在计量桶内积液的开始时间和结束时间，s；采用工业PC总线控制系统和笔记本电脑构成计量装置控制、计量与保护系统(见图2)，具有控制分离器内液位高度，计算油井产液图2 计量测试窗口量和产气量，对超压、超液位有声音报警功能。该计算机应用程序采用了VB6.0进行编译生成可执行文件，完全窗口式菜单操作，画面美观生动，简单实用。3技术特点3.1技术参数 产液量测量范围：50m3/d； 产气量测量范围：3600Nm3/d； 油气比： 050%； 工作压力：1.0 MPa； 工作温度：（1550）； 环境温度：（-3050）。3.2液体测量采用两种方式，提高了量程比，满足产液量（1

14、10）吨/日低产井量的需要。3.3在分离器入口装有旋流式脱气伞，可提高分离效率，减少分离器的体积和重量；也减弱了来流对液面的冲击。3.4为满足野外油井计量的气候条件、间断量油的需要，在这套计量装置上配备了保温加热系统，包括计量装置安装保温箱内，和油井的连接采用电加热高压橡胶软管配快速接头。4.现场应用4.1计量车的油气水多相流试验和标定该计量车经大庆油田建设设计研究院油气水多相流试验室标定，其气体计量的准确度为2.5级，液体计量的准确度达到2.0级。标定数据见表1、表2。表1 用流量计测量液量时，装置的测量误差液流量(m3/h)平均误差(%)气流量(Nm3/h)平均误差(%)2.00.4260

15、2.332.00.53302.472.00.37102.361.00.86302.311.00.61102.491.00.7752.370.50.92152.200.50.8752.14表2 用分离器测量液量时，装置的测量误差液流量(m3/h)平均误差(%)气流量(Nm3/h)平均误差(%)2.01.87602.342.01.92302.462.01.93102.271.01.67302.481.01.66102.101.01.7152.390.51.87152.120.51.5252.614.2现场应用两年来计量车在大庆油田采油四厂和采油五厂投入使用以来一直运行良好，为油田环管流程的油井计量

16、提共了新方法。同时也解决了功图量液仪的校验问题。多相流综合试验装置研究郭亮 郑琦 (国家原油大流量计量站 大庆 163712)摘要 为了开展油气水多相混输工艺参数测试和多相流测量仪表试验研究，大庆油田建设设计研究院在其油气集输试验站内设计研制出油气水多相流量计现场实液测试校验装置，该装置是目前国内规模最大、设备最先进、功能最全的油气水多相流综合试验装置。该装置即可采用现场实液（原油、产出水、天然气）又可采用模拟液（柴油、清水和天然气）试验介质，在该装置上可进行045度起伏、水平流型、持液率和多相流测量仪表等试验研究。 到目前为止，利用该装置已对持液率、起伏和水平透明流动状态以及6台多相流测量仪

17、表进行了大量试验，获得了大量宝贵数据，满足了生产需要。 本文将对该装置的主要技术指标、功能、流程、仪表配置、关键技术、起伏透明管段、持液率试验管段及各种试验结果进行介绍。关键词 多相流 装置 起伏透明管 水平透明管 流型 持液率 快关阀法 多相流测量仪表 试验结果1 概述在北海油田开发中，油气水多相混输工艺参数测试计算和多相流计量标定技术越来越引起人们的重视，这些技术对于简化混输工艺流程、降低油田开发投资具有重要意义。近年来，英国、法国、挪威、美国、荷兰等国家的一些大石油公司、研究院所和大学都投入了大量的人力和物力，从理论上对多相流水平、垂直、起伏流动状态（流型）、持液率、压降、温降以及多相流

18、量计量、标定等进行了深入研究，相继建成了各种功能和规模的多相流试验装置设备，并将理论研究结果在多相流试验装置上进行了试验、验证和修正。目前，在多相混输工艺参数计算预测方面的主要有美国Pipephase、挪威OLGA等软件。在多相流计量仪表方面的主要有挪威的MFI多相流量计、美国Agar公司的多相流量计、兰州海默公司的多相流量计。在多相流试验装置方面的主要有英国国家工程试验室的多相流量计标定装置、挪威SINTEF多相管流试验装置、挪威IFE多相流起伏透明试验装置、美国CONOCO公司的多相流现场实液测试装置。由于采用实液介质和模拟介质的多相流试验装置各有利弊。在这些多相流试验装置中，多数采用柴油

19、/煤油成品油、空气/氮气、清水/盐水等模拟液介质，很少采用原油、天然气、产出水实液介质，这主要是由于建造多相流实液介质试验装置安全条件要求高、费用多等条件的限制。由于采用实液介质的多相流装置对多相流量计的测试结果更接近实际，测量误差较小；但是，当需要通过透明管段对多相流流动状态进行观测试验，采用原油介质时，由于原油的粘度较大，原油将粘在透明管壁上一层，无法看清管内流动状态；所以通常采用模拟介质，由于柴油/煤油的粘度小，在透明管内流动时不会粘在透明管壁上，这样就能看清透明管段内的介质流动状态。近几年来，随着我国沙漠油田和海洋油田的开发，为了开展油气水多相混输工艺参数测试和多相流测量仪表试验研究，

20、95年中国石油天然气集团公司投资，由大庆油田建设设计研究院在其油气集输试验站内设计研制出油气水多相流量计现场实液测试校验装置，并于97年通过了中国石油天然气集团公司技术鉴定，该装置只能在原油、产出水和天然气实液介质下对多相流量计进行测试和校验，不能进行流型等方面的试验研究。通过三年的改造，2000年大庆油田建设设计研究院已在多相流试验室内建成了一套新的油气水多相流综合试验装置，该装置的主要仪表设备采用进口设备，管线采用不锈钢材料，这套装置具有规模大、功能全、设备先进、测量范围宽、准确度高等特点，是目前中国规模最大、设备最先进、功能最全的油气水多相流综合试验装置。该装置具有2套油气水处理系统，即

21、可在原油、产出水、伴生气现场实际介质条件下，又可在柴油、清水和天然气模拟介质条件下，分别进行起伏、水平流动状态和持液率试验，以及多相流测量仪表的测试标定等试验。该油气集输试验站设在大庆萨南油田，与南2-9转油站并联设置。该试验室总建筑面积为525m2，其中试验间450m2(30m15m、高8m）、控制室75m2。多相流水平试验段长19.35m，垂直试验段长8.6m(其中地下2.6m），起伏试验段长22m、高4.5m。2 装置主要技术指标（1）多相流试验管径： 1“M型”045度起伏可调透明试验管径：DN50； 2 水平流型透明试验管径：DN50、DN80、DN100； 3 水平持液率试验管径：

22、DN50、DN80、DN100； 4 水平和垂直多相流测量仪表试验管径：DN50、DN80、DN100；（2）介质最大流量：1 实液介质系统：原油50m3/h、产出水50m3/h、天然气流量1170m3/h(标准)；2 模拟液介质系统：柴油15m3/h、清水15m3/h、天然气流量1170m3/h(标准)；（3）装置的流量测量准确度等级： 油系统：1.0级、水系统：1.0级、气系统：1.5级；（4）含水率调节范围：0100%；（5）含气率调节范围：0100%； （6）系统工作压力： 1 实液介质系统： 2.5MPa； 2 模拟液介质系统： 1.0MPa；（7）试验介质工作温度： 1 实液介质系

23、统： 60可调； 2 模拟液介质系统：常温。3 装置主要功能（1）起伏透明流型试验；（2）水平透明流型试验；（3）持液率试验；（4）多相流测量仪表试验；（5）油、气、水单相流量计性能试验；（6）油流量计含水率或含气率变化试验；（7）油、水流量计低于60变温、变粘试验。4 装置工艺系统基本组成部分 该装置主要分为实液介质系统和模拟液介质系统两部分：（1）实液介质系统部分该装置的实液介质系统主要由原油/产出水/天然气三相分离处理系统、油水介质输送调配系统、天然气增压和稳压输送系统、单相流量计量系统、介质混合稳流系统、多相流试验段、用后介质外输系统等七部分组成，见图1。（2）模拟液介质系统部分该装置

24、的模拟液介质系统主要由柴油/清水/天然气三相分离处理系统、油水介质输送调配系统、天然气增压和稳压输送系统、单相流量计量系统、介质混合稳流部分、多相流试验段等七部分组成，见图1。5 装置工艺流程（1） 实液介质工艺流程该装置的实液介质工艺流程如图2所示，首先将来自于多井计量间的原油/产出水/天然气混合物进图1 多相流综合试验装置工艺系统基本组成图行三相分离，分出的低含水油进入低含水油缓冲罐，将低含水油泵入电脱水器进行脱水处理，获得净化原油，将净化油从净化油储存罐中抽出并输至油流量计进行流量计量；从三相分离器分出的含油污水先进入含油污水缓冲罐，由泵将其抽出并输至水流量计进行流量计量；并将油、水注入

25、油水两相混合器，混合成油水混合物，再进入气液混合器；从三相分离器分出的天然气先进入天然气压缩机入口缓冲罐，经天然气压缩机增压后，进入天然气稳定罐并输至气流量计进行流量计量；再将天然气注入气液混合器并与油水混合物混合，获得油气水三相混合物；该混合物进入一个流型发展水平直管段，获得充分发展的流型之后，进入持液率试验段、透明管段和被测的多相流测量仪表试验段；从多相流测量仪表排出的油气水混合物先进入段塞流捕集器，然后进入用后介质分离缓冲罐，由该罐分出的天然气和含水原油分别外输至转油站。在装置的运行过程中，油气水介质均一次性通过多相流试验单元，其介质条件和工艺过程与油田生产实际相接近。（2）模拟液介质工

26、艺流程该装置的模拟液介质工艺流程如图2所示，首先将柴油/清水/天然气混合物分离成油、水和气单相介质。再分别给这些介质增压，进行油、气、水单相标准流量、含水率、含气率调节和计量，然后再通过混合器将它们混合成油气水三相混合物，经流型发展稳定段后，分别进入起伏透明段、水平透明流型观测段、持液率试验段和多相流测量仪表试验段，从多相流测量仪表排出的油气水混合物进入三相分离器进行三相分离。由分离器分出的天然气返回站内天然气管线，柴油和清水经分离器分离后循环使用。图2 油气水多相流综合试验装置工艺流程简图通过将透明试验管段观测到的多相流型(流动状态)与观测到的多相流动状态或流型进行比较，来确定多相流型测量仪

27、表的性能指标。或通过将装置的油、气、水单相标准流量值与被测多相流测量仪表测得的油、气、水单相流量值的比较，来确定多相流测量仪表的计量准确度、复现性及有关性能指标。6 计量仪表的配置 根据被测多相流量计油、气、水流量计量准确度的检定要求，该装置的油、水流量计量系统准确度等级应小于1.5级，气流量计量系统准确度等级应小于2.0级。为此，采用了性能稳定、计量准确度高的计量测试仪表，其中油、气、水标准流量计的准确度等级为：0.5级。 在该系统中，油、水流量计量采用2台流量计并联使用，天然气流量计量采用4台流量计并联使用的方法，并在油路中安装了一台油中含水分析仪测量油中含水率。 另外，在油、气、水管路、

28、油水二相管路、油气水三相管路以及流型试验段、被检多相流测量仪表入口和出口处分别安装了温度变送器和压力变送器，用于测量管路各处介质的温度和压力。7 关键技术措施 （1）在气液混合器之后，设置了一段较长的流型发展水平直管段（124D248D），以使油气水三相混合物在进入多相流试验段之前得到一个充分发展的流型，提高系统的稳定性。 （2）在被检多相流量计之后设置一个段塞流捕集器，主要用来消除由段塞流冲击造成系统背压波动而导致单相流量计计量部分的流量波动。 （3）由于气体的可压缩性，通常气相介质比油、水相介质的流动稳定性差，造成气流量计量不准确。因此，在天然气压缩机出口设置了一级和二级气稳压罐，进行除液

29、、捕雾和缓冲稳压的措施，提高气体流量稳定性。（4）对于油相介质，主要采取加破乳剂、加热升温和电脱水的措施来降低油中含水率，提高其纯净度。（5）对于水相介质，主要采取加破乳剂和增加沉降时间的方法来降低含油污水中的含油率，提高其纯净度。8 数据采集处理及自控系统 该系统以一套DCS集散控制系统为核心，可对油、气、水流量、压力、温度和含水率共40多路测试数据进行采集、计算、储存、显示监测和打印输出；同时可对电动开关阀、调节阀、快关阀进行操作控制。该系统具有丰富的人机对话操作界面，可在工艺系统流程图上实时显示和监测各点的油、气、水流量、温度、压力和含水值以及电动开关阀、电动调节阀和快关阀的开关情况。9

30、 起伏透明试验管段为了对起伏管线内的流动状态进行试验，以便模拟、观测和摄录起伏管内介质的流动状态或流型，所设置的起伏段为：DN50管径、总长22m、高4m、M形状、045度可调全透明管段，如图3所示。该起伏试验段是由4根各长4.5m的透明有机玻璃段及可调管架组成了“M形状”起伏可调试验段，4根有机玻璃段分别被固定在可调管架上，在有机玻璃管段之间用短软管连接，用手动葫芦调节角度，角度调节范围为045度。另外，在起伏段入口设置了一段5m长的水平流型发展直管段，以便得到一个充分发展稳定的流型。10 持液率试验段图3 M型起伏可调全透明试验管段简图采用快关阀测量持液率方法，在试验段共设置DN50、DN

31、80、DN100三条水平多相流快关阀持液率试验管段，如图4所示。该快关阀持液率试验段是由2台快关球阀中间加入一个管段(该管段内容积为VQL)及1台旁通管线上的快关阀组成。为了提高测量的可靠性，采用了结构新颖、关闭速度快的快关球阀及快关阀电控液动控制系统，其中快关阀的主要技术指标见表1。图4 持液率试验段简图 表1 快关球阀主要技术指标表名 称数 量开关速度 (ms)阀心结构控制类型液压源(MPa)DN50DN80DN100DN50DN80DN100快关阀2239898380球体电控液动8.511 多相混输工艺流动参数试验情况（1）起伏流动试验将“M型”起伏透明试验段调节成45度时进行了试验。试

32、验时，先将水、油调节到某一固定流量值上；然后再通天然气，将天然气调节到某一固定流量值上，等待管内流型稳定1030min后；用肉眼观测透明管内的各种流型，同时用摄像机摄录流型，试验结果见表2。从表2中看出，通过分别调节油、气、水的流量，可在DN50起伏管段内进行各种流型试验；发现上升段和下降段的流动状态不一定相同，在上升段可产生层状流、气泡流、气团流、段塞流、环状流、雾状流；当气流量比较小时，上升段和下降段的流动状态不相同，随着气流量的增加，上升段和下降段的流动状态逐渐相同。 表2 DN50 M型起伏可调透明试验段在45度时的流型试验结果序号油流量水流量液流量天然气流量起伏管上升段出现流型起伏管

33、下降段出现流型(m3/h)(m 3/h)(m3/h)(m/s)(m3/h)(m/s)11.720.221.940.2700层状流混合流21.810.262.070.291.280.18气泡流混合流32.030.592.620.372.550.36气团流混合流43.4503.450.496.470.92段塞流层状流54.522.737.251.0375.3210.66段塞流段塞流611.67011.671.65175.0024.76环状流环状流78.8908.891.26245.0034.66环状流环状流82.211.133.340.47396.6356.12雾状流雾状流（2）水平流型试验 在D

34、N50水平透明试验管段内，对各种流型进行了模拟、观测试验。试验时，待流量调节稳定后；用肉眼观测透明管内的流型，同时用摄像机摄录流型；并将观测和摄录到的流型与曼得汉流型图预测出的流型相对比，其流型试验结果见表3。从表3中看出：1 通过分别调节油、气、水的流量，可在DN50水平透明试验管段内进行各种流型模拟、观测试验，主要有层流、波状流、泡状流、段塞流、环状流、雾状流等各种流型；2 在透明管内观测到的流型与曼德汉流型图中预测的流型相吻合，该环道能满足各种流型的模拟、观测试验的要求。 表3 DN50水平透明试验管段内的流型试验结果表序号油流量(m3/h)水流量(m3/h）液流量(m3/h) 天然气流

35、量水平透明管内流型摄像机摄录流型流型图预测流型(m3/h)( m/s)(m3/h)(m/s)12.00.22.20.300层状流层状流层状流20.70.41.10.221.73.1层状流层状流层状流35.44.710.11.45.10.7气团流气团流气团流43.703.70.59.61.4段塞流段塞流段塞流511.4011.41.6190.426.7环流流环流流环状流63.30.84.10.6331.446.7环状流环状流环状流73.21.34.50.6493.169.7雾状流雾状流雾状流（3）持液率试验持液率试验方法：关闭旁通管线上的快关阀，打开试验管线上的2台快关阀，分别将油、气、水流量调

36、节到某一固定值上，稳定10min左右；由微机控制同时打开旁通管线上的快关阀和同时关闭试验管线上的2台快关阀；然后，打开放空阀，将液体排入一个标准的玻璃计量容器内，待气体从液体中排出后，读出液体的体积为VLi，反复进行5次以上的试验，计算该流量点的平均持液率；重复上述步骤，再做下一个流量点的测试。其中DN50管线的持液率试验结果见表4，平均持液率计算公式如下：1） 持液率测试值 LviVLi / VQL 100 式中，Lvi第i次持液率测试值，；VLi 第i次液体的体积测试值，m3；VQL持液率试验管段的内容积，m3，其中DN50管段的内容积VQL值为4.97 m310-3。 2）平均液体体积测

37、试值 式中, n测量次数。 3）平均持液率测试值 试验表明：由于多相流动的复杂性和随机性，采用快关阀法测量持液率，每次重复试验时测量值不完全一致，如果进行5次或5次以上的重复试验，取平均值即可得到一个比较好的测量值。 表4 DN50管线的持液率试验结果表序号平均液流量（m3/h）平均气流量（Nm3/h）平均液体体积（m310-3）平均持液率%111.250.004.9098.59210.997.354.2685.71310.7319.513.3467.20410.5345.132.1342.86510.41121.761.4128.37610.18389.850.479.4612 多相流测量仪

38、表的试验情况 目前为止，已利用该装置分别对3台多相流量计和井口计量测试装置、多相含水仪、多电容式流型测试设备各1台，共计6台多相流测量仪表进行了全量程测试试验，累计测试流量点约200个，试验运行时间超过2000小时，取得各类试验数据5万多个。 在测试前，根据被测的多相流测量仪表的工作原理和技术指标，制定了一个适合于该多相流量计的油气水全量程测试点，也即确定液流量（油、水流量）、含水率、含气率。在测试时，每个流量点测试3次以上，每次测试10min1h。在每次调节流量点时，至少稳定1030min。有关6台多相流测量仪表的测试试验情况，请见表5。 表5 6台多相流测量仪表的测试标定情况表名 称计划测

39、试点实际测试点测试液量（m3/h）含水率（）含气率（）每个点每次测试时间FJ型多相流量计727221706060901hSXL型多相流量计636321001000901020minSy型多相流量计1232.155080508010min井口计量测试装置1010030900601hFHSH型多相含水仪15151001000901h多电容式流型测试设备1414012023090瞬间捕捉13 结论（1）研制出了“油气水多相流综合试验装置”， 该装置具有规模大、功能全、设备先进、测量范围宽、准确度高等特点。该装置为开展油气水多相混输工艺参数测试和多相流测量仪表试验研究提供了条件。（2）该装置即可在现场

40、实液又可在模拟液试验介质下，分别进行起伏透明、水平透明流型、持液率和多相流测量仪表等方面的试验。（3）利用该装置已对持液率、起伏和水平透明流动状态以及6台多相流测量仪表进行了大量试验，获得了大量宝贵数据，满足了生产需要。涡街流量计在液化石油气流量检测中的选型及应用陈兴* 张彤*（*天津市计量技术研究所 *天津石油化工公司石油化工厂）摘要：说明了涡街流量计在液化石油气流量检测中的选型方法，并介绍了涡街流量计在用于液化石油气流量测量选型时的方法及单一组份介质的质量流量测量方法。一、概述 涡街流量计属于流体振动流量计。它是基于卡门涡街原理来进行流量测量的，它具有以下一些特点：1） 无可动部件，可靠性

41、高：2） 测量范围宽，一般范围可达到目的10：1以上：3） 输出为脉冲频率信号，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，与流体的组份、密度无关：4） 结构简单，安装方便，维护费用低：5） 可应用于液体、气体、和蒸气的流量测量：6） 整体精度较高。 由于涡街流量计具有上述特点已成为通用流量，所以近几年来在石化企业应用比较广泛，由于厂家出厂时的测试及流量计的仪表常数的测定大多以水为介质测液体流量时给出的流量范围也是水的流量测量范围。用户在选型时如介质为其它液体介质容易忽视造成选型不当，本文通过分析涡街流量计仪表常数的非线性规律，介绍了涡街流量计在用于液化石油气流量测量选型时的方法及单一组份介质的质量

42、流量测量方法。二、工作原理涡街流量计利用流体力学中卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计。将一个非流线型的对称形状的物体（涡街流量传感器中称之为漩涡发生体）垂直放置在流体流动的管道中，流体绕过漩涡发生体时，出现了附面层分离，在漩涡发生体下流两侧产生两列交替的漩涡即卡门涡街。 漩涡发生原理图由于涡列之间相互影响，漩涡列一般是不稳定的，但卡门从理论上证明了当两漩涡列之间的距离L满足h/L=0.281时，非对称的漩涡列就能保持稳定，此时其漩涡频率与流体的流速v：及漩涡发生体的宽度d有下述关系：FStvd （4-1）式中 F涡街频率 d漩涡发生体宽度 v来流速度 St斯特劳哈尔数St的值与漩涡发生体宽

43、度d和雷诺数Re有关。当雷诺数Re2104情况下，St为变数：当Re在21047106的范围内，St值基本上保持不变，这段范围为流量计的基本测量范围。斯特劳哈尔数 雷诺数式（1）表明，当d和St为定值时，漩涡产生的频率F与流体的平均流速u成正比，而与流体的温度、压力、密度、成分、粘度等参数无关。因此可以从漩涡产生的频率f求出流体的平均流速v。由于涡街流量计的管道内插有漩涡发生体，因此在漩涡发生体处的流速与管道内的其它部位的平均流速不同，根据流体连续方程 q=v1A1=v2A2 （4-2）式中：q通过流量计的流体流量；A1流量计管道的截面积v1管道内流体的平均流速A2-漩涡发生体处管道的截面积v

44、2-漩涡发生体处管道内的流体的平均流速。设 A2/ A1=m当d/D,则（1）式可简化为 （5）根据上式可得被测气体不同于空气，温度、压力、压缩系数不同于标定状态时的流量修正公式 (6)其中，Qv工作状态下的气体流量换算到标准状态下的流量；Q0流量计的示值流量；工作状态下被测干气体的密度，Kg/m3；0标准状态下被测干空气的密度P工作状态下被测干气体的压力（即表压和大气压之和）P0标准状态时压力，为101.325Kpa；T工作状态时的开尔文温度，K；T0标准态时的开尔文温度，K；Z工作状态下被测干气体的压缩系数；Z0标准状态下干空气的压缩系数，Z0=1；3.2硬件设计硬件总体设计原理框图见图3

45、，主要有4部分组成，微处理器模块、输入模块,即电容角位移传感器、输出模块、电源模块。其中，模块由电容角位移敏感元件、电荷检测电路、零点与量成调整电路组成。其核心部件为美国Microchip公司的PIC单片机，其内部集成了ROM 、RAM、定时器、数据采集器、看门狗电路、上电复位电路，可节省大量外围电路。图3 硬件原理框图3.3软件设计软件设计流程图如图4 所示。可实现双排8位LCD同时显示累积流量和瞬时流量；通过仪表界面三个按键或组合键可将标定曲线系数、小数位数、被测介质的密度、温度、压力、压缩系数等工况参数直接置入单片机中，自动完成流量修正，实现流量的精确测量，给不同要求用户的使用带来极大方

46、便，无需逐台设计制造；采样周期为10ms，将100次采样的平均值用于计算（1s计算1次）；设有密码，限制操作权限；可实现通讯功能，与国际同类研究成果相比较，显示出更强的智能化水平。4 样机标定PIC单片机与锥管中内嵌磁钢的浮子、电容角位移传感器、硬件信号处理电路相配合构成3台（15mm、50mm、80mm口径）智能金属管浮子流量计样机。该样机在如图5所示的实验标定装置上进行标定，高位水塔高36m，实现稳定水压，以保持流量恒定。标准表选择电磁流量计，误差为0.2%。标定步骤：（1）利用汇编语言设计浮子流量计专用标定软件。标定点6点，每点3次，正反行程各5次，记录样机瞬时电压采样值（v/s）与标准

47、表瞬时流量值（m3/h），对6个标定点处的平均值（30次采样的平均值）进行3阶拟合，得到v/sm3/h的函数关系(2),即Q=Q(Vout)，通式为Q=A+B1*V+B2*V2+B3*V3； （7）（2）将第一步得到的函数关系写入单片机中，使得样机显示输出为瞬时流量m3/h和累计流量m3,再次标定，标定点六点，每点1次，正反行程各作3次，对比样机与标准表的瞬时流量，分析样机误差，标定数据见表1。15mm、50mm、80口径的样机标定时，其流量范围分别为0.040.4 m3/h、0.636.3 m3/h、440 m3/h，量程比为10:1。满度相对误差计算公式为 （8）式中-相对误差; Xf-浮

48、子流量计测量值; Xs-标准表测量值; Xmax浮子流量计最大测量值；本文对样机标定点处的累计流量测量值进行精度分析，由表1可见，3台样机最大满度相对误差分别为：15mm口径0.75%；50mm口径0.82%；80 mm口径0.944%。图4 程序框图图5 流量实验标定装置（1 高位水塔 2电磁流量计 3浮子流量计4泵 5地面 6蓄水池 ）表1 样机标定实验数据15mm口径仪表50mm口径仪表80mm口径仪表标准表被校表误差标准表被校表平均误差标准表被校表平均误差m3/hm3/hr %m3/hm3/hR %m3/hm3/hR %0.040.04190.4750.630.67450.70644.

49、12220.30560.050.05200.5121.261.28170.34488.0920.230.10.0970.752.522.50490.241615.94080.1480.20.19840.43.783.76090.3032424.08080.2020.30.30180.455.045.02590.2233231.62240.9440.40.39850.3756.36.24830.824040.32240.8065结论（1） 智能金属管浮子流量计研究结果表明：无需根据被测介质的密度、温度、工作压力等使用工况条件和流量范围进行逐台设计制造，将给生产厂商和使用部门带来极大的方便，更加适

50、合我国国情；（2） 改变了国内金属管浮子流量计引进产品和国产产品中因采用机械结构进行流量计算而导致精度较低的状况；（3） 利用PIC单片机组成的新型智能金属管浮子流量计,运用实验标定数据的方法得到该流量计瞬时流量的精度为1级，通过对这三种口径的样机连续运行数月后重新标定，精度并未发生变化，从而证实了该仪表的可靠性。参考文献1 米勒RW；孙延祚 译，流量测量工程手册，北京：机械工业出版社，1990.637644.2 Whitwell J C,Plumb D S.Correlation of rotameter flow rates.Ind Eng Chem ,1939,31:4514563 Co

51、ulson JM,Richardson JF.Chemical Engineering.4thed.London:Pergaman Press,1990,2122134化学工业协会，化学工学便览。改订版，东京：丸善株式会社，1990。19-45595 Tibor Fabian and Georg BrasseuR. A Robust Capacitive Angular Speed Sensor .IEEE Trans.IM, 1998,47(1):2802846 G.Brasseur. A robust capacitive angular position sensor. IEEE Ins

52、trumentation Measurement Technol.Conf., Brussels, Belgium,June 1996. 7 X.Li ,G.C.Meijer, G.W. de Jong, and J. W. Spronck. An accurate low-cost capacitive absolute angular-position with full-circle range. IEEE Trans.IM.vol.44:768770, June 1995.基于DSP的涡街流量计和科氏质量流量计二次仪表徐科军(合肥工业大学自动化研究所，合肥23009)摘要：将先进的信号

53、处理方法和数字信号处理器(DSP)应用于流量计的信号处理，计算流量信号的频率和相位差等，克服目前此类流量计信号处理方法的局限，提高测量精度和抗干扰能力，扩大量程比，实现小流量测量。研制基于DSP的涡街流量计和科里奥利质量流量计二次仪表。关键词：涡街流量计，科里奥利质量流量计，数字信号处理器，二次仪表。1引言 被人们称为“数字孔板”的涡街流量计，具有测量精度较高、无活动件、可靠性好、输出信号频率与状态体积流量成正比等优点。近年来发展速度居流量仪表第二位，在各行各业获得愈来愈广泛的应用。但是，涡街流量计在应用中还存在两个关键问题没有解决。一是由于涡街流量计工作原理的关系，它易受外界振动干扰，而工业

54、现场的振动是普遍存在的。(1)管道机械振动干扰：水泵、阀门的开启，大电机的运行等；(2)流场干扰：流场不稳定，在现场直管段长度达不到要求。由于现场振动噪声的干扰，使得现场测量误差远远大于实验室标定误差，有时实际测量误差可达50%之大。二是量程下限受限，不能测量小流量。而现场的管道是一定的，并且，工艺上对流体的压力有要求，不能缩小管道的口径，所以，测量小流量是不可避免的。量程下限受限是由于当流量小时，涡街传感器的输出信号比较微弱，易被噪声淹没。所以，上述两个问题是有内在联系的。这两个问题影响了涡街流量计特点的发挥，阻碍它的发展。科里奥利质量流量计(以下简称为科氏流量计)是一种新型流量计，其特点是

55、：直接实现质量流量的测量，这是许多工业应用迫切期待的；管内无障碍物，便于清洗；可以同时获取密度测量值。它是当前发展最为迅速的流量计之一，具有广阔的应用前景。科氏流量计也是基于流体振动原理进行工作的。它要求其信号处理电路精确地测量来自两个流量传感器信号的相位差。目前，其基于模拟电路的信号处理方式(放大、滤波、整形和计数)，存在如下局限：对噪声特别敏感。而工业现场，噪声各种各样，干扰是无法避免的。科氏流量传感器输出信号的频率落入许多工业噪声的频率范围，而且传感器输出信号的幅值比较小，在许多情况下，并不明显大于噪声信号的幅值，这就限制了流量计的灵敏度，使得有用信息的获取十分困难，导致实际的测量精度达

56、不到指标规定的精度。(2) 模拟滤波器会改变信号的幅值和相位，这是不希望产生的结果。因为两个信号之间的时间延迟是用来求出处理流体特性的基本信息。(3) 管子的振动频率受流体密度等因素的影响，使其不等于驱动频率，以致于传感器输出信号的频率发生变化以及频率成分复杂，二次仪表所测出的是合成波的相差。(4) 测量流体时，两个信号的相位差一般小于4度；当测量气体时，由于气体产生的科里奥利力小，故相差更小，处理更为困难。为此，本文将先进的信号处理方法和数字信号处理器(DSP)应用于流量计的信号处理，计算流量信号的频率和相位差等，克服目前上述流量计信号处理方法的局限，提高测量精度和抗干扰能力，扩大量程比，实

57、现多参数测量和小流量测量。2涡街流量计信号处理方法和系统研制的基于DSP具有谱分析功能的涡街流量计信号处理系统由ADSP2181(AD公司的DSP芯片)处理器、前向输入通道、模拟量输出电路、键盘输入电路、保护电路、串行通信接口、液晶显示(LCD)、模拟量输出以及软件组成。前向输入通道由电荷放大器、程控放大器、抗混叠滤波器、模/数转换器组成。键盘输入完成对系统参数设定、显示内容选择的功能。串行通信RS232接口使系统可以和微机或单片机进行通信。 该系统的硬件框图如图1所示。流量计中的传感器(例如，压电传感器)将所感受到流量信号转换成电信号，经过电荷放大器、程控放大器和抗混叠滤波器，送到模/数转换

58、器；模/数转换器与ADSP2181之间的通信方式为中断方式。采样数据在中断服务程序中送入ADSP2181数据存贮器的环形数据缓冲区。ADSP2181定时用周期图谱分析方法对采样数据进行谱分析；在进行多次功率谱分析的基础上，进行平均，确定出最大功率谱值，得到它所对应的频率，即为信号的频率。ADSP2181定时计算信号频率，再根据仪表参数和通过温度、压力等补偿，可以得到瞬时流量值等，送入指定数据缓冲区，供LCD显示、模拟量输出等。也可通过积算，给出累积流量。该系统的软件框图如图2所示。图1 系统硬件框图图2 系统软件框图 采取一系列措施解决处理精度和实时性的问题：通过选取合适的频率分辨率来控制非整

59、周期采样所造成的计算误差。采用频谱校正方法提高计算精度。通过分段设置采样频率，以及通过计算信号的幅值来调整程控放大器的增益，使处理信号的范围扩大到22500Hz。 定时计算，边计算边采样，利用环形数据缓冲区，将最新采样的数据刷新队列里最老的数据，每次计算都用最新采样的数据。在2秒中作20次谱分析，去掉最大两个数据、最小两个数据，取其平均值后，送LCD显示。做到处理实时，显示及时，结果稳定。已申报了国家发明专利。用HP公司的信号发生器测试，基于DSP具有谱分析功能的涡街流量计数字信号处理系统的最大相对误差不大于0.014%，测量范围为2Hz2500Hz,抗干扰能力强。分别在安徽省流量仪表检定站和

60、江苏省宜兴市路达仪表有限公司的标定装置上，与合肥仪表总厂和江苏省宜兴市路达仪表有限公司的传感器相配合，进行了性能测试和现场试验，线性度为0.11596%，重复性为0.0264575%，量程比达到1：15。并与合肥仪表总厂和江苏省宜兴市路达仪表有限公司的放大器及二次仪表进行比较，结果表明，我们系统测量下限低(即测量小流量能力强)、流程比宽、测量精度高和抗干扰能力强。 3科里奥利质量流量计信号处理方法和系统研制的基于DSP的科里奥利质量流量计信号处理系统由ADSP2181、信号采集通道、逻辑控制电路、LCD电路、键盘输入电路、串行通信电路、420mA输出电路和激振电路以及软件组成，其系统硬件如图3所示。其中，信号采集通道由放大及低通滤波器、温度检测电路、多路转换器和采样/保持及模/数转