[发明专利]气体流量测量的系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及流量测量领域，具体而言，涉及一种气体流量测量的系统及方法。

背景技术

无论是城市天然气管网还是天然气生产线，由于其安全性需要和计量收费需要，常常在各传输干线及支线上安装一系列气体流量计。目前用于天然气管网的流量计都是机械式，比如涡轮气体流量计。由于这类流量计有机械转动部件，磨损较快，精度随时间变差，因此需要定期维护。但由于天然气的易燃易爆等特点，使得对这类流量计的维护很艰难，成本很高。另外，天然气里常常夹有少量的杂物如颗粒或碎片，这些杂物常常导致流量计转动部件性能变差，甚至卡死等，以至流量计读数误差增大甚至停止工作。现场更换流量计必须停止天然气的输运，排除管内剩余气体，采取严密的安全措施，整个过程成本甚高。

不止天然气生产与输配领域，其他气体，如蒸汽和工业压缩空气等，也存在类似的问题，涡轮等机械式流量计由于其固有的易磨损的转动部件而使其精度越来越差，并且难维护，长期运作成本高。

在近十年里，有不少人探索无转动部件的气体流量测量方法。到目前为止主要研究工作集中在时差法超声波气体流量测量上。这种方法是把一对超声波传感器安装在一段管段上，采用时差法对声脉冲在气体的上、下游方向的传播时间及时间差进行测量，从而计算出气体流量。在气体介质及工况较理想的情况下，这种方法可以比较准确的测出结果。特别是采用多声道技术及整流技术后，其测量精度可以达到气体贸易结算的要求。但是，这种流量测量系统造价很高，并且，它更适合于大口径，无法用来做为天然气管网的常规监测和计量使用。针对这种情况，这两年有较经济的单声道时差法流量计出现。它只在管段上装了一对超声传感器，结构较简单。但是，这种流量计有一个致命弱点，它要求接收的超声波信号稳定且信噪比高。在实际气体应用中，这点是很难满足的。天然气通常不是理想气体，其湿度、温度、压力以及含杂质的情况都是随时波动的，而超声波信号强度受这些因素影响很大，从而导致超声波信号波动很大，信噪比较低。这就使得时差法在检测声脉冲信号时出现困难，不但测量精度大大降低，而且稳定性和可靠性较差，甚至无法工作。因此，时差法超声波气体流量计的应用很有限。

近几年来，出现了基于互相关的外绑式超声波流量计，它的传感器是安装在管道外面的，无需在管道上打孔或切断管段安装，所以安装方便。它采用两对传感器，分别安装在管道的上下游，每对传感器都有一个发射传感器和一个接收传感器，由接收传感器接收到的信号含有气体介质的调制信号。这种调制是由流体的紊流，杂质等引起的，它随流体先通过上游一对传感器，经过一定时间后再通过下游那对传感器。通过互相关计算方法，可以找到这个调制信号从上游到下游的流动时间。因为这个时间与流体速度成反比，这样就可以计算出流体的速度及流量。

目前外绑式互相关超声波气体流量计还大多限于实验室。很少有现场应用，主要原因不仅仅是造价高，其现场应用还很不理想。虽然传感器是绑在管道外面，安装方便，但正是由于这个安装方法，使得超声波很难传过管壁而进入管内气体。管壁通常为金属材料，它的密度和声阻抗与气体的相差巨大，因而接收到的调制信号很小，噪音很大。这就不得不采用复杂的硬件系统和数字信号处理算法，使整个系统变得复杂。即使如此，这种方式的测量精度也无法达到计量要求。另外，它对低流量和小管径仍然很难测量。这就大大限制了这种外绑式气体流量计的应用范围。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种气体流量测量的系统及方法，以大大提高测量结果的确稳定性和可靠性，同时也实现整个测量系统的硬件大大简化，降低成本。