涡轮流量计常见现场干扰故障及排除 流量计如何做好保养

 涡轮流量计干扰故障现象 ，故障原因及消除方法

一、涡轮流量计正常安装后，没有流量通过，就有信号输出或有流量显示，且数值不稳定 1、截止阀关闭不严，有泄漏量 ：
检查前端阀门状态，确保已关闭，没有流量通过 2、信号线屏蔽接地不良：
确保良好接地。选接地线，或设备金属外壳。 3、附近有电机、变频器等大功率设备运行 ：
涡轮流量计的安装应远离大功率设备，避免强磁电场环境。较强的磁电信号会导致流量计出现虚假信号。   二、涡轮流量计正常安装后，有流量通过，信号输出或流量显示数值很不稳定 1、供电电源不稳定 ： 对于需要外供电的涡轮流量计，应确保供电电源质量，仪表供电与大功率设备供电分开。必要时应通过隔离变压器对流量计进行供电。或通过隔离变压器后给开关电源供电，再给流量计供电。 2、传输信号线与强电混在一起 ： 涡轮流量计流量计传输的信号属于弱信号，尽量不要与380V，220V等强电电缆混在一起铺设，否则可能会引入干扰。 3、现场设备没有良好接地 ： 现场设备管道应由良好接地，不能带电。否则会对流量计的工作造成干扰。 4、 管道有强烈震动： 加固管道，隔离震源。 5、前后直管段严重不足 ： 至少保证，前面5D，后面2D的直管段，否则会引起流量显示的较大波动。 目前，在油田原油开采中面临的一个困难问题就是对开采的原油进行在线计量。主要原因是原油的成分非常复杂，原油中含油、水、气和其他杂质，属于多相复杂的流体，而且单井原油又是间歇流动，因此一般的流量计是无法满足的。本文设计了基于超声波相关流量计算的计量系统，较好地解决了原油非接触在线计量问题。

1、超声波相关流量计原理

相关法利用相关技术测量流体流量。测量精度与流体中的声速无关，测量精度高，适用于多相流，干扰大的流体的测量。当流体在管道内流动时，如果含有其他杂质，其内部就存在着各种各样的随机扰动，从而产生了与流动状况有关的流动信号，并具有一定的统计特性。相关法流量计的结构如图1所示。

A，A’和B，B’是两组超声波发射和接收换能器，L为上游换能器和下游换能器之间的距离。当超声波信号穿过管道时，超声波信号会受到流体中噪声的调制，调制后的超声波信号中就包含了流体速度场的信息，对此超声波信号进行分析，提取与流动状况有关的流动信号A(t)和B(t)，且将A(t)和B(t)作相关运算，得到相关函数RAB(τ)：

该函数峰值所对应的时间位移为τ，就是流体从上游换能器传递到下游换能器的时间，即该系统中的传递时间(也称渡越时间)。流速的计算公式为：

根据流速，进而求得流量：

式中：D为管道的直径。

2、单井原油超声波相关流量测量系统结构

如图1所示，单井流量测量系统主要由气液分离预处理，超声波检测，信号处理三部分构成。下面分别对这三部分进行分析。

2．1气液分离预处理部分

预处理部分其结构如图2所示。预处理部分的功能一是进行液气分离(抽油机抽出的原油中除了油液混合外，还含有气体和其他杂质，气体对油液测量会带来较大的误差，所以在对油液测量时必须进行气液分离)；二是解决间歇流动时的满管测量(抽油机工作时每次抽出的原油不等，而且是间歇流动，这样造成管道中油液可能不是满管，也会带来很大的测量误差)。基于这些原因在对油液测量前要进行预处理，经过预处理后实现气液分离和油液满管通过计量油管，减小计量误差。工作原理是：原油从进油口经沉沙罐后进入储油罐，在储油罐里进行油气分离，分离的气体从储油罐上阀门(出气阀)经气管道输出，当储油罐中的油液达到一定高度时，浮球上浮打开下阀门(出油阀)，同时上阀门封堵气口，建立压力，储油罐中的油在压力的作用下，通过测量管道流向出油口，当储油罐中的油液下降到一定的液位时，浮球下沉封堵下阀门，打开上阀门，这样重复工作完成气液分离。

2．2超声波检测部分

检测部分主要是由两对超声波传感器构成。超声波传感器的检测是通过超声波的发射和接收能量来完成的，核心是换能器(将超声波能转换为电能或者将电能转换为超声波能，可逆换能器是指以相等的效率对两种形式的能量做相互转换的换能器)。常见的换能器有压电晶体振子、磁致伸缩振子等。用于相关流量测量的超声波一般有正弦波与脉冲波两种形式。脉冲超声波和正弦波的相关流量计都是对流场横截面的速度信息进行积分而得到流速的。本设计采用压电晶体超声波传感器，中心频率为200kHz。为了克服驻波影响，超声波采用锁相环脉冲信号发生器。

2．3信号处理部分

信号处理部分主要由超声波接收换能器和DSP构成。

信号调理电路由接收换能器、三级放大电路、滤波电路和包络检波电路组成。前置放大器由MAX410仪表用放大器模块构成，二级放大器和末级放大器由INA128精密低功耗仪表用放大器构成；滤波电路是由MAX275模拟集成滤波器构成的一个带通滤波器，中心频率为200kHz，由TL14构成低通滤波器，主要取出检波后的信号，包络检波电路由二极管和电容构成峰值检波器。

另一部分是由DSP模块组成的数据采集处理电路。该电路选用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。在目前过程控制领域中，它是先进的DSP微处理器，与传统的单片机相比，它具有功能强、资源丰富、功耗低等突出的性能。具有完美的性能并综合较佳的外设接口，它集成了闪存、高速A／D转换器、高性能的CAN模块等。

测量时，上、下游发射换能器发射出高频超声波，超声波在流体中传播时，流动信号对超声波会产生幅值、相位和频率调制，接收换能器接收的高频调制信号，经滤波和放大后进行解调，获得流动信号，送至A／D转换器进行数据采集，采集的信息送至DSP进行相关处理，获得流体的流量。

3、系统程序设计

软件系统包括DSP初始化、计算模块、流量显示、中断处理模块等部分。

主程序流程图如图3所示，主程序完成初始化后，进入一个循环程序，对采样数据进行处理，随时响应外部A／D中断请求、串口通信中断请求和定时器中断请求，同时还要随时判断流量显示定时是否到达。主程序响应以上各中断请求并调用各个相应的处理程序，完成数据的采集和处理。

初始化一方面是设置DSP的工作环境，另一方面是为后面的信号处理做准备。系统初始化程序包括影响DSP芯片CPU运行的内部初始化和影响各个外设工作的外设初始化，以及外围可编程器件(如A／D，D／A等)的初始化等几个方面，具体地说包括以下功能：设置时钟发生器，设置定时器，初始化各状态寄存器，开中断等。

中断处理模块包括三个中断：定时器中断处理模块用于启动A／D转换器和控制采样频率，串行通信中断处理模块用于与上位机进行通信，A／D中断处理模块用于读取A／D转换器采样数据，其流程图如图4所示。

图4 A/D中断处理程序流程

显示模块定时刷新仪表，显示瞬时流量值和累积流量值。

系统处理过程为：设定定时周期，定时器产生中断，此中断启动A／D转换器，转换结束后，A／D转换器向DSP请求读取数据中断，DSP响应A／D转换器中断请求，调用A／D中断处理模块，读取采样数据，送入数据缓冲区。由于流体是间歇流动，所以DSP接收到上、下游信号的N点数据后，对数据进行傅里叶分析，判断流体是否流动，如流动则调用计算程序，对采样数据进行相关运算，寻找相关函数的峰值，确定渡越时间T，并根据仪表参数、温度补偿，获得瞬时流量值和累积流量值，并将结果存于数据存储单元，供显示仪表显示。

在相关流量测量中，关键问题之一是相关函数的计算方法，要求能高速、准确地完成对大量的随机调制信号的采集、相关积分运算和相关函数的峰值搜索。相关函数的算法主要有极性重合法和零点穿越法两种。为了提高运算速度，本系统采用频域中的相关运算。输入的数据通过FFT变换后，即可求出频域中的相关运算。然后通过IFFT可得到时域中的相关结果，可以用来进行峰值搜索。

4、结语

在分析油田单井工况和相关流量测量原理的基础上，设计出一种适合单井原油计量的装置，经现场测试取得了较好的效果，其误差小于2％。但还存在以下几个问题：一是信号的起伏较大，主要是原油中含气，含杂质不定，所以造成了信号差别大，需要检测电路增加AGC电路。二是修正系数的整定困难，不同的井含水量不同，油液的粘度差别很大，同时在不同的温度下，油液的流动性差别也很大，所以要在不同的环境下多次调整修正系数，给使用带来不便。三是在流速较低时误差比较大。这些都是今后研究中要加以改进的方面。 超声波流量计分类及特点

超声波流量计一样通常可分为两大类：流传时间式超声波流量计和多普勒超声波流量计。在含有悬浮粒子的活动流体中，可以使用声学多普勒效应丈量多普勒频移来确定媒质流速v，这种方法称为超声波多普勒法。

由于现在市场上的超声息体流量计产物都是流传时间式超声波流量计，以是下文将重点论述流传时间式超声波流量计的原理。当超声波在活动的媒质中流传时，相对付牢固坐标体系，超声波速率与在静止媒质中的流传速率有所差别，其变革值与媒质流速有关。因此凭据超声波速率的变革量可以求出媒质的流速，流传时间式超声波流量计便是凭据这一原理计划而成的。超声波流量计由两大部门构成：丈量变更器部门和电子电路部门。

直圆管段内流体的特性由流体的雷诺数决定，这是个无纲数（dimensionless），由流体的流速，管道直径，流体的密度和动态粘度通过盘算得出。通常环境下，被测流体可以分为湍流(turbulent)和层流(laminar)两种管流状态，当流速较高或管壁粘性较小时，流体的质点受惯性力作用较大，质点间相互稠浊呈紊乱无章不规矩的活动称湍流；流速较低或管壁粘性较大时，流体的粘性所造成的摩擦力作用较大，流体活动的状态是腻滑的层状活动，各流层的质点互不稠浊且条理明白，这种活动称为层流。湍流状态的流速以管道轴线为中央呈对数曲线对称漫衍，而层流状态下游速呈抛物线曲线对称漫衍。一样通常环境下，当雷诺数Re≥2300时，可以以为已经到达湍流而雷诺数较小时（小于2300）一样通常为层流。但这种流场特性会由于管线中存在弯管而扰乱，通常环境下这种扰乱可以形貌成在流体的管道轴向流速上叠加了一个和流向成垂直正交干系的称为涡流的流速分量，涡流的强度取决于流体由于雷同弯管的作用而孕育发生的扰乱的强度。这种涡流无疑是对超声流量计的精度孕育发生影响的，从机器安置的角度思量，可以通过在流量计前加装充足长的直管道办理。而对付流量计计划自己，可以通过多通道丈量的方法，部署交织的声道大概接纳反射型的声道来消除涡流的影响。

任何丈量都存在偏差，流传时间式超声波流量计的丈量方法，其丈量偏差大抵可以分为以下几种：

1.被测介质温度大概浓度的变革引起声速 值的相应变革，声速的变革孕育发生的流速丈量偏差称为纯温度或纯浓度偏差。

2.双通道参数的不合错误称，包罗双通道换能器参数如机器尺寸、电气特性等的不合错误称，被测介质活动状态的差别等以及电子电路的不合错误称。这些因素引起的丈量偏差称为附加温度偏差。

3.流速断面上现实流速漫衍与抱负流速漫衍之间的差别等所引起的丈量偏差称为流速断面偏差。

纯温度和纯浓度偏差是超声波流量计的重要固有偏差。如前所述，对付时差法，温度和浓度变革引起的流速丈量相对偏差为声速相对变革的两倍。

附加温度偏差一样通常分为两类，一类是由换能器参数不合错误称、电路零点漂移等引起的随机偏差，另一类是由电路布线和器件不合错误称、流速较大时引起声束偏移在顺流和逆流偏向的差别等等因素引起的体系偏差，前一种可以通过接纳单通道和统计均匀的方法减小，后一种则必要与背面提到的第三类流速断面偏差一起通过修正系数k实测标定的方法同一消除。

流量计敏捷度的界说是当流体流速变革单元量时，种种方法中所直接丈量的特性量的变革值（特性量便是指时差法中的 ），敏捷度分别为 。

流量计的丈量范畴便是流速丈量的上限和下限的起止范畴。原则上讲，流速的丈量范畴是从零开始而且没有上限，但是，在现实应用中流量丈量范畴会受到如许那样的条件的限定，好比声束的漂移以及每种方法的特性量所能到达的最小丈量值等等。

在时差法中，流速u是特性量 的单值函数，因此丈量范畴理论上没有上限，但是丈量范畴的下限却受到了限定，这重要是对时差的丈量决定的。要是一个别系可以到达0.01微秒的绝对精度，要是要包管1％的丈量精度，测时下限便是1微秒。当超声波束在管道中反射后由吸收换能器吸收，根据式(1－2)取 ，D＝50毫米， =340米秒 ,则流速丈量的下限是u=0.578米秒 。要是在此底子上，必要进一步进步体系的丈量精度，那么可以接纳时间扩展法，也便是使超声波顺流和逆流分别发射多次如N次，再颠末统计均匀，丈量相对精度相应进步 倍。同时这种方法还可以使流速丈量下限扩展到 。从式(1－2)中可以看出敏捷度与直径D成正比，与媒质中声速 平方成反比。在管道直径增大和丈量声速较小的流体时，敏捷度会进步。

噪声

通常环境下，管道上存在振动，这些振动由泵、减压阀等引起，这些振动发射超声噪声，噪声频谱可以延伸至超声换能器的事情频率范畴内。噪声的引入可以是流体感到噪声，大概设置装备部署感到噪声，诸如由减压阀所发出的噪声。后一种范例的滋扰噪声更为严峻，分外是当如许的减压阀事情于高压差的时间，比方高于10或20bar，在这些条件下，所耗散的能量可以相称大，纵然只有非常少的部门被转换成为声能，但照旧大概发出非常大的噪声。由于信号和噪声频率范畴同等，在信号被噪声吞没的环境下，流传时间就不克不及被有用检出，流量计大概不克不及事情。通常的办理措施一是在流量计的安置位置上思量，通过加长管线的方法使流量计只管即便阔别噪声源，二是应用数字信号处置处罚技能，好比用一些滤波和相干算法。进步信噪比是研究怎样进步流量计性能的重要内容。

产业尺度和产业应用

只管现在公布有AGA N09号陈诉，ISO公布有TR12765技能文件，我国也订定了相应的GB/T18604尺度，但从产业化、尺度化应用角度来看，超声流量计要得到产业上的遍及应用，还应当办理以下四个方面题目。

- 针对产业流场上游侧差别范例阻力件孕育发生的影响，公道确定不怜悯况下游量计上游直管段长度。

- 操纵压力、温度及气体组分的变革对流量丈量影响及校正措施。

- 差别雷诺数速率漫衍剖面修正系数准确确定和流量计主体多少尺寸偏差所带来对精度的影响。

- 探头电气特性的稳固性及探头的交换性等。

别的，关于超声流量计标定还没有到达共鸣。从超声流量计的布局和丈量原理来看，这种速率型流量仪表可以实现“干标”。这是由于使用现在的丈量技能及本领，流量计腔体多少尺寸D、声道长度L和传感器间的轴向长度X是可以得到正确测定的。要是电子电路和传感器的性能得到正确丈量，传感器组件的电气特性稳固并具有可交换性，那么“干标”就可得到现实的应用。然而，现在仍没有充足技能步伐和理论来证明这一点。当前，在北美、南美、欧洲，供需两边都要求用于商业计量的超声流量计有充足的丈量精度，基于这一点，可信任的措施照旧要标定。

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