丹尼尔气体超声波流量原理简介计

丹尼尔气体超声波流量计丹尼尔气体超声波流量计演示的目的简介超声波流量计的基本原理超声波流量计的技术规范流量计的电子输出单元丹尼尔流量计的使用和选型流量计内部信息的获得及流量计的诊断AGA9号报告:超声波流量计的通行标准演示的目的为参加本次交流的各位增加对超声波流量计认识所必需的基本知识.丹尼尔超声波流量计的发展历史

八十年代初期,英国煤气公司开始研发四通道的超声波流量计1986:英国煤气公司同意授权Daniel公司作为唯一的开发商,进一步开发该类型流量计的工业领域的应用1989:第一台实用流量计顺利出厂,其包含大多数早期设计,在英国开始销售并用于商业计量1993:Daniel公司采样自动增益控制和数字信号处理技术改善了流量计的电子单元,提高了信号的保真度和流量计的精度1994:Daniel引入防爆的MarkII电子处理装置丹尼尔超声波流量计的发展历史

1996:Daniel开发出单通道的热帽式(Ultra-Tap)流量计并直接安装在短接上,主要用于流量比对1998:Daniel开发出可在线拆装的传感器并可提供在线的拆装工具1998:DFI(丹尼尔流量接口单元)板与MarkII电子单元一体化超声波流量计的技术特点精度高级超声波流量计精度:优于0.5%,并可免标定普通超声波流量计:2%热帽式超声波流量计:2%较低的维护费用无可动部件,可延长维护保养的时间间隔.无插入管道内部的部件,即使管道中有残渣也不会损坏仪表的任何组件.超声波流量计的技术特点较低的运行成本不影响流体的正常流动压力降小不用加压...

节约了电费低安装成本高容量高量程比(可达100:1)降低了对上下游直管段的要求超声波流量计的技术特点应用实例一台16”(DN400)的超声流量计可相当于三台12”(DN300)的孔板流量计流通量的总和投资:一台16“多通道超声流量计的投资为$79,700;三台12“孔板流量计带直管段的总投资为$184,300;节约投资超过$104,000如何确保超声波流量计的精度精确的几何加工尺寸和精密的传感器定位仪表的整体化技术贯穿于设计的全部过程中对流体剖面特性及流场,流态的检测,并采用精确的数学模型进行补偿时间直通式测量原理本身具有较高的精准度时间直通式测量原理的精确性电子时钟的稳定性连续测量与流体状态相关的声波脉冲对电子元件和传感器引起的信号滞后给予恰当的补偿超声波流量计的基本原理声波的基本知识什么是声波

?声波是一种机械辐射能,它以实际物质为载体的纵向压力波(注意它不是一种横截面或横向波).声波是如何产生的?当振动体与介质相接触时,便产生声波声波的频率(Hz)单位时间内通过某一给定点的声波的数量叫声波的频率声波的基本知识声波的速度

速度是指声波通过某一介质的速率(米/秒,英尺/秒),它是独立于频率的一个概念介质的弹性越大,声波传播的速度越快

介质的密度越大,声波传输的速度越慢如果气体的密度已知的话,声波的速度是可以计算出来的声波的波长

波长等于声波的速度除以声波的频率声波的强度随介质的密度降低而变弱超声波超声波是高频率的声波人类可以通过听觉感知到的声波频率范围从20到20,000Hz超声波的频率在20,000Hz以上丹尼尔超声波流量计的工作频率是120KHz为什么使用超声波?能够聚焦成一束光在管道经常产生的干扰频率(60HZ)之上超声波超声波的产生和检测压电晶体制成的传感器用来产生和感测超声波信号压电晶体的反向效应用来产生超声波振动压电晶体的正向效应用来感测超声波振动衬垫材料导电体压电晶体Disk耦合层壳体24V输入电压输出120KHz

输入120KHz

输出流量计传感器时间直通式原理的技术特点Daniel超声波流量计被称为时间直通式超声流量计声波由上游向下游传输的时间(由于声波被气流推动)小于声波由下游向上游传输的时间(声波被气流反向阻挡)

这两个时间之差与气流的速度存在某种对于关系从上下游测得的传输时间可以计算出气流的平均速度和声波的速度脉冲发生器接收单元检测单元时钟本安型传感器信号检测回路100MHz晶振

120kHz超声波信号(大大给予调节阀的干扰频率60kHz)时间直通式测量原理传输时间.004LFlowXD传输时间.007.003超声波流量计任意一对传感器t1=Lc-v(x/L)t2=Lc+v(x/L)LFlowXD高级超声波流量计流量方程流量从上述方程中求出v=L2x(t1-t2)t1t2c=L2(t1+t2)t1t2v=流体速度c=声速t1=上游传输时间t2=下游传输时间2流量方程多通道即多路流速测量!多通道流量计ABCDVavg

=S

WnVnn=14Vn=L(t1-t2)2x(t1t2)2超声波流量计的计算全众因子仅取决于探头的几何分布情况!Wa=0.1382Wb=0.3618Wc=0.3618Wd=0.1382多通道流量计ABCD几何全众因子流量与流体的流速和截面积有关

流量=流速*截面积流速测量tup=Lc-v(x/L)tdn=Lc+v(x/L)FlowXDL/2L/2普通型超声波流量计流量方程单通道流量计普通超声波流量计的计算流体剖面特性气体在管道的中心线一带流动较快,越接近管壁流速越慢单通道和双通道流量计需要流体经过流态矫正对单通道和双通道流量计来说CF=矫正系数WR=管壁粗糙度Re=雷诺数流态剖面流态矫正多通道流量计算流量计算的步骤测量每个通道的声波传输时间计算每个通道的速度计算平均速度流速乘以截面积流量计算流量流速测量的结果有关流体的全部计算结果取决于对声波传输时间的测量传输时间的测量取决电子器件的性能阈值检测-模拟技术时间(微秒)电压值信号检测数字技术即采样软件找到正确的测量点时间(微秒)电压值信号检测单对传感器-低流量050100150200250300-50-100下游上游超声波的跟踪单对传感器-高流速050100150200250-50-100-150下游上游超声波的跟踪超声波流量计相对于其它种类流量计的优势精度较少的误差源高级超声波流量计,无需标定,精度高于0.5%普通型超声波流量计,2%热帽式流量计,2%低维护成本无可动部件,维护周期较长

无部件插入管道内部,任何管道内部的残渣都不会损坏流量计的部件超声波流量计的优点较低的运行成本不影响正常的输气低压力降减少增压设备...

节省电力投资低的安装成本流通能力强量程比宽(100:1)不用对上下游直管段提出更高的要求超声波流量计的优点实例一台16”(DN400)的超声流量计可相当于三台12”(DN300)的孔板流量计流通量的总和投资:一台16“多通道超声流量计的投资为$79,700;三台12“孔板流量计带直管段的总投资为$184,300;节约投资超过$104,000可双向计量多通道超声流量计可作双向计量自诊断如何确保超声波流量计的精度精确的几何加工尺寸和精密的传感器定位仪表的整体化技术贯穿于设计的全部过程中对流体剖面特性及流场,流态的检测,并采用精确的数学模型进行补偿时间直通式测量原理本身具有较高的精准度气体超声波流量计的种类热帽式气体流量计单通道热帽式的检测部件普通型气体超声波流量计单通道双通道高级气体超声波流量计四通道8”高级超声波流量计四通道流量计气体高级超声波流量计4”普通气体超声波流量计4”普通气体超声波流量计热帽式超声波流量计热帽式气体流量计高级超声波气体流量计高精度专用于贸易交接多通道可检测流体的多个剖面多通道提供了必要的冗余能力精确的设计和在加工制造过程中的质量控制

特点及技术规范高级超声波流量计声速,温度,气体运行状况的测量是相对独立的特别适用于高压气体,通常最低工作压力为10bar(10kg/cm2,或150psi)常见流量计的直径,150mm-600mm(6”-24”)最高压力可达ANSI#2500(约42MPa)特点和技术规范高级超声波气体流量计平法兰,凸面法兰或O-型圈密封面连接法兰气体温度:-200Cto850C(-40Fto1850F),特殊要求下可达1200C流通能力:参考手册中的流量范围表重复性:在特定的流速范围内<=读数的0.2%特点及技术规范高级超声波气体流量计精度,0.5%-不需标定的情况下.如需获得更高的精度,在收取额外的标定费用后,可以提供流量标定防爆等级:一级,C和D组.特点和技术规范高级超声波气体流量计长输管线集气系统海洋天然气压气站气体处理工厂高压管线输配管网应用场合普通气体超声波流量计单声道或双声道短管安装主要用于非贸易交接较高级超声波流量计更经济新安装现场尤其适用适用于原料天然气的计量普通气体超声波流量计精度可达

1%常见尺寸,100mm-600mm(4”-24”)压力可达ANSI#2500推荐流速,最大100英尺/秒(30m/s),最小3英尺/秒(0.9m/s),可延伸至,1英尺/秒(0.3m/s).特点和技术参数普通气体超声波流量计非贸易交接的场合比对储气罐的测量海洋天然气的计量原料天然气的测量应用场合热帽式气体流量计主要应用在已经存在的管输系统中,作平衡气量之用在靠近压缩机的地方计量线性好能克服脉冲干扰非贸易交接计量投资大小与管线的大小无关热帽式气体流量计大型不能中断输气的管线非贸易交接的场合比对计量埋地管线应用场合热帽式安装形式安装地点地面地下或被掩埋的管道2“或3”的球阀UFI或3405电子单元MarkII电子单元传感器种类传感器整体直接安装式各种尺寸,各种压力的全系列产品在拆卸传感器组件前需要将超声波流量计上的压力泄放的场合使用的传感器阀门与传感器需要绝缘的场合12”或口径更大的场合在不影响计量情况下,需拆卸的场合T-slot型可更换的传感器组件10”已经更大管径的多通道流量计使用丹尼尔的专用工具可带压拆卸的形式带丹尼尔电子接口器件的MarkII电子单元CPU主板驱动/前置放大板电源本安接口板现场接线板诊断和接口板适合于危险区域分类一级,一区,C和D组的场合电源板115/230伏交流或24直流最大功耗15W接口主板接口主板的主要功能是通过提供频率输出放大流量计的计量能力,针对的对象是需要频率输入的一类流量计算机显示和计量体积流量之用接口主板一个4-20mA温度输入

一个4-20mA压力输入

一个4-20mA输出接口主板两个频率输出,用户可选择其频率是0-1000Hz或0-5000Hz.接口主板两个通讯口口A,RS232带RTS/CTS选项,或RS485,能够multi-dropped口B,RS232,无握手信号,或RS485,无multi-drop电子单元的计算功能按AGA8号报告计算压缩因子能粗略计算出压缩因子

雷诺数的计算常用来矫正单通道,双通道流量计流态剖面对流量测量的影响流态的矫正常用在单通道或双通道流量计中也能采用固定值进行计算电子单元的计算功能基准条件下体积流量的计算压缩因子来源AGA8号报告的计算结果

管道压力和差压的补偿将压力,温度信号接入电子单元电子单元的MODBUS协议通讯电子单元始终处于“从”的地位RTU或ASII协议,可依具体要求组态可获得功能代码,如:功能3,读多个寄存器功能6,写某个寄存器功能16,写多个寄存器寄存器按“块”分组各个“块”内的数据格式完全相同相同“块”内的寄存器,才有可能同时被访问电子单元的MODBUS协议通讯CPU或电子单元上的寄存器能够通过改变跳线来保护里面的数据数据格式16位整型数据32位长整型数据32位I-EEE型浮点数据每个寄存器内的数据长度都是16位如长整型数据和浮点数据则需要两个MODBUS的寄存器MODBUS寄存器的详细地址,参考电子单元的有关手册DUI软件基于视窗平台开发的应用软件电子单元的设置标定与电子单元的实时通讯数据采集全程诊断MODBUS通讯其它流量测量数据气体流速某个通道的气体流速温度压力组份时间数据某个通道的信号传递时间统计数据批量统计可设置极限(报警)数据可测出脉冲数低流量检测通用诊断信息声速的测量气体信号放大超声波噪声检测信号的品质信号的遗失比率(%)数据分配(统计结果)超声波流量计的数据采集与处理数字信号直接从表体上获得“脉冲”或频率信号与涡轮流量计的数据处理方法类似模拟量输出2500PTFlowRS485RS232S500/2500数字信号处理的接线方式超声波流量计的使用和选型流量计尺寸的选择用丹尼尔的计算软件计算和选择仪表内径用本流量计的最大和最小流速作参考最大气体流速是27米/秒(合90英尺/秒)最小气流速度是1米/秒(3英尺/秒)最小气流速度可扩展到0.3米/秒(1英尺/秒)Schedule40,ANSI/ASMEB36.10M020040060080010001200压力(psig)020040060080010001200流量(百万标准立方英尺)8"10"12"16"尺寸图:最大流速下3500050010001500200025003000压力(PSI)0.11101001000流量(百万标准立方英尺)6“最大6“最小6“扩展测量范围有关干标的几个问题干标即不用实际流体流过确定流量计的精度

干标以后再用湿标进行验证什么是干标?有关干标的几个问题减少计量设备的一次性投资有充分的理论依据AGA-9号报告的要求实际结果也给予验证型式予以确保为什么干标非常重要?有关干标的几个问题仪表研发人员的初衷就是干标

超声波流量计的精确与否很大程度上取决于加工安装的精度以及时间测量的精度理念有关干标的几个问题各通道尺寸的定位

测量超声波信号传输时间的电子处理部分的确定

探头的设计与确定工艺有关干标的几个问题几何尺寸的测量误差探头尺寸仪表长度横截面尺寸时间测量的误差平均传输时间的测量误差传输时间差值的测量误差潜在的误差源有关干标的几个问题通道长度的设置误差可能造成标定曲线检测正负的相互的抵消可能造成声速测量的误差横截面的测量误差(Deff)可能造成标定曲线检测正负的相互的抵消时间差值的测量误差产生流速的抵消对低流速的影响尤其(达百分之几数量级)安装误差的影响典型数值值误差给流量测量可能造成误差L的长度14"0.014"0.2%X的长度10"0.010"0.1%直径12"0.1"0.1%信号传输时间1000微秒1微秒0.2%传输时间差3.5微秒.02微秒与流速无关12“多通道超声波流量计%误差百分数vs.%流量百分数02040608010012014001224364860728496%误差%流量无误差10%的增益误差5%抵消误差超声波流量计的安装对单向计量的管道,前后直管段分别为管道直径的10倍和5倍对双向计量的管道,前后直管段均为管道直径的10倍安装效果对仪表本身的要求通道的设置参数设置要准确上游流通条件流体剖面的对称性非轴向流长期工作稳定性干净,干燥的气体要考虑的重要因素安装效果数据库数据量不充分流体动态的计算是否可信?取决于仪表的几何尺寸问题30“高级(多通道)超声波流量计$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$020406080100参考读数(%满量程)00.511.52-0.5-1-1.5-2%误差干标:Westerbork实验室,代号:97-460336,,,,,,$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$051015202530参考流量(千千克/小时))00.511.52-0.5-1-1.5-2%误差标定:Westerbork实验室,代号97-46043430“高级气体超声波流量计,,,,,,$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$051015202530参考流量(千千克/小时)00.511.52-0.5-1-1.5-2%误差标定:Westerbork实验室,代号97-46033530“高级超声波流量计++++++05101520253035参考流量(千千克/小时)00.511.52-0.5-1-1.5-2%差值标定:Westerbork试验室,代号97-46033530“高级超声波流量计选择丹尼尔气体超声波流量计的优点完备的生产能力所有部分全部有丹尼尔工厂自己生产没有其它下属的组装和加工厂可提供全部的检测手段检测管道和控制阀门电子自控装置测量