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水流量计在线校准技术探讨
日期：2024-12-23 19:14
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摘要：
水流量计在线校准技术探讨
http://china.toocle.com生意社
引言：大庆是国内50个严重缺水的城市之一，大庆油田有限责任公司又是一个年用水量近4亿吨的用水大户。随着水资源的日趋紧张及油田改革的不断深化，水计量问题日显突出，油田用水量的严格分级考核管理已提到日程上来。由于目前在线使用的大部分大口径水表不仅没有旁通和备用表，而且拆装十分困难，无法实现周期检定；同时由于部分水流量计口径在DN300以上，大庆地区现有的水流量标定装置检定能力也不能满足。因此，油田内水流量计，尤其是大口径水流量计，难以做到在不影响正常供水情况下的周期检定，其在线使用精度无法保证使用要求。对大口径水流量计进行在线校准技术方面的研究，解决油田在用的大口径水流量计在线校准问题，在不影响正常供水的情况下，有效提高水计量仪表的在线使用精度，对于加强水资源管理，节约宝贵的水资源，提高油田的总体经济效益有着十分重要的意义。
对大口径水流量计进行在线校准技术方面的探索， 从1999年初就已开始。我们在大量的调查研究的基础上，决定从示踪法和超声波法两方面着手，对大口径水流量计在线校准问题做进一步的尝试。
1．用示踪法对大口径水流量计在线校准
用示踪法测量水流量的历史可追朔到上个世纪的二十年代。这种方法对测量大口径管道、开口的流道和变截面流道的流量有着独到的优势。它是根据流量的定义进行流量测量的一种测量流量的**方法。在测量流量中使用的示踪剂可以是放射性的或非放射性的物质。示踪剂法测量流量的方法大致可分为三种：峰定时法、总计数法和稀释法。作为流量计的在线校准装置，峰定时法*为适合。它的主要特点是：
① 有较高的精度；
② 不需要测定注入的放射性溶液的量；
③ 对探测器不需要进行刻度；
④ 要求被测管道的截面为已知。
峰定时法的工作原理是将 一小体积的放射性溶液快速注入到被测的流体中。在下游的某两点安装两个射线探测装置检测示踪剂浓度峰值通过的时刻。已知两个射线探测装置的距离L和示踪剂浓度峰值出现时间差T，即可求出线性流速 u= L / T 。则流量 Q =S·u。 为了验证示踪法在大口径水流量计在线校准上的可行性，我们在实验室内建立了水循环系统试验装置，系统由DN 200 mm 管道及管道泵组成。管道总长约14米，内部体积约 0.44m3 。试验时流量的改变是通过变频电源改变泵电机的电源频率实现的。化学示踪法试验采用的示踪剂是 ZnCl2的水溶液，ZnCl2的水溶性非常好。每100克水可溶解395克 ZnCl2。探测装置采用 238Pu 放射源和 NaI(Tl) 闪烁计数器。由 238Pu发射的低能 x 射线穿过测量间隙打到 NaI (Tl)闪烁计数器上被记录，它的强度决定于测量间隙中的介质的成分和密度。当水流中含有示踪剂时，介质对 x 射线的吸收增加。探测器记录x 射线强度减弱。在示踪剂注入到管道后，在水流体中形成一个局部的示踪剂浓度包。它随水流向下游运动，通过探测器时即可被检测到。由于在示踪剂浓度包中流体的密度和成分都有变化，造成对 x 射线吸收的增加，探测器测到的计数就减少。
用上面描述的设备和方法得到的一组试验结果可以看出，用这种方法测量的数据离散性比较大。*差的数据是在电源频率为10Hz时，重复性为14.2%，其次是在 20Hz时，为11.8%。
对化学示踪法的试验结果进行分析，下面两点可能是导致试验结果不理想的主要原因：**是流态受到干扰，这是由于示踪剂注入的量较大，注入压力也比较大以及探测器侵入到管道内所造成的；**是信号相关性差，由于示踪剂注入后的初始形态及随后在运动中的扩散过程均有随机性，在达到探测器时又未能达到均匀分布，加上探测器的探测面积仅占管道截面的一小部分，因此造成信号相关性差。而侵入的探测器对流态的干扰又使信号相关条件更加恶化。基于流态受到干扰和信号相关性差是导致试验结果不理想的主要原因的分析，确定采用放射性同位素作为示踪剂、不需要侵入到管道中去的NaI晶体做探测器，进行进一步的试验。
同位素示踪法试验采用放射性同位素作为示踪剂，用峰定时法测量流量，试验使用化学示踪法所用的同一水循环系统试验装置。示踪剂注入器和探测器有所不同。同位素示踪剂可以选择的品种很多，但需要考虑的影响选择的因素也很多，诸如半衰期、射线的能谱、载体的化学性质、价格等等，需要根据这些因素作综合评价进行选择。我们选择113mIn（铟-113m）作为示踪剂。它可以从铟-113m放射性核素发生器获得。铟-113m放射性核素发生器的价格较高，但是它有很多优点，特别适合于研究阶段使用，*主要的有两点：**是使用方便。虽然113mIn 的半衰期仅为100分钟，但它可以方便地从铟-113m放射性核素发生器获得，就像挤牛奶一样。而且几乎每天可以“挤”一次，所得到的113mIn的量是按母体113Sn的半衰期—115天减少的。不像其它短半衰期的同位素那样，在使用时必须由供应地空运。**是半衰期和射线种类合适。母体的半衰期为115天，一般可以使用半年以上（视订购的铟-113m放射性核素发生器 的强度等级和使用时所要求的113mIn的强度而定）。而子体113mIn的半衰期又很短，它对流量测量来说卓卓有余，但对环境的影响微乎其微。
同位素示踪法的流量测量试验中，示踪剂注入器与化学示踪法示踪剂注入器虽然具有相同的功能，但在设计要求上有所差别。一是同位素示踪剂溶液一般用量很小，只要满足对放射性总量的要求即可，以便于操作和防护。因此，要求它能够在很短的时间内（理论上越短越好）将5-10毫升的溶液注入到管道中去。二是同位素示踪法是基于一小体积的放射性溶液的快速注入，它随水流移动时会逐渐散开，在注入点的下游，探测器测到的计数曲线是不对称的。这种不对称性随着探测器距注入点距离的增加而减小，理想的示踪剂注入应该从管中心向径向喷射，并且有足够的力量使其尽可能布满整个管截面，注入时间应尽可能短，使得在注入时示踪剂在轴向的弥散与随后由紊流造成的弥散相比可以忽略，也就是说，示踪剂的分布应该是一个薄的圆片。示踪剂的注入越接近这一理想状态，为满足一定精度测量所要求的管道长度就越短。注入器主要由锥形密封头、示踪液容器和电磁铁组成。当电磁铁动作时，锥形密封头提起，示踪液在压缩气体的推力下由泄流孔注入到流体中。控制电磁铁通电的时间可以控制注入的示踪剂的量。另外，在示踪液喷管上加装了径向辐射型喷嘴。
与化学示踪法不同的是在同位素示踪法中探测器不需要侵入到管道中去，这是因为它探测的γ射线能量较高。因此探测器的NaI(Tl)晶体较大，以增加探测效率。在试验中使用的NaI(Tl)晶体的尺寸为φ40×50mm。探测器必须要有屏蔽和限束孔，以减少本底计数并使测得的计数曲线更加尖锐。探测器及其安装筒座可以方便地将整个探测装置夹紧在管道上。从9月至11月中旬完成了注入器设计加工、探测器研制、二次表研制等工作并在实验室的循环系统中进行了试验。11月底至12月中旬在大庆油田南六联污水站上进行了现场试验。结果表明，同位素示踪法优于化学示踪法，在满足试验条件的情况下，可以达到±1%的测量精度。
2 用超声波法实现大口径水流量计在线校准
用超声波测量水流量的方法在发达国家已得到了广泛的应用，技术也已经成型，如丹麦的丹佛斯、美国的康乐创、宝丽声、日本的富士等都是生产超声波流量计的专业厂家。近几年，国内也有仪表厂商开始生产超声波流量计，但在技术水平和生产规模上，与国外相比还有一定的差距。
超声波流量计做为大口径管线在线校准仪表，有着其它仪表所无法比拟的优点：
①在不影响被检仪表正常工作的情况下，管外安装校准；
②便于携带，安装方便 ；
③不妨碍流动，无压力损失量；
④无可动部件，维修率低、稳定性好。
超声波流量计有多种形式，从精度上看排序依次为传播速度差法、多普勒法、听音法。多普勒法主要应用于含有很多气泡或悬浊物的液体，如下水、泥水等，听音法适用于辅助测量或开关的监视。做为大口径管线在线校准仪表，我们选用传播速度差法。传播速度差法包括相位差法、声循环法、时间差法，原理基本一致，我们选用时间差法。从原理上看时差法超声波流量计是将流体流动时与静止时超声波在流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来测得流体流速的。从安装角度讲，时间差法超声波流量计可分为外夹式和插入式，外夹式超声波流量计便于携带，安装方便，但在使用过程中，受使用环境影响较大，做为大口径管线在线校准仪表缺少说服力；插入式超声波流量计受使用环境影响较小，适合做为在线校准仪表。
将流体流动时与静止时超声波在流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。取静止流体中的声速为C，流体流动的速度为V，当声波的传播方向与流体流动的方向一致时，其传播速度为（C+V），而声波的传播方向与流体流动的方向相反时，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），声道夹角为θ，管道内径为D， K为流通系数，S为管道横截面积。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t2，则：
t1 =L/（C-Vcosθ）
t2= L/（C+Vcosθ）
管内介质的流速： V=лKSD3（t1+t2）/8t1t2cos2θ
测量时，超声波收发器应置于流管的正侧面，这样做的理由在于，气泡易于聚集在管道的上方，大的异物则沿管道底部流动，它们都将妨碍超声波的穿过。
2000年4月，设计制做了DN300、DN150两段插入式时差法超声波流量计测量管段，为了能方便换能器的拆装，设计制做了球阀式换能器护套，**测量超声波探头间距、超声波探头与直管段的角度和标准直管段的壁厚。首先在石油工业计量测试研究所的水流量标定管线上，做了两组试验，对SONOKIT插入式时差法超声波流量计进行了实验室试验研究。试验采用容积法对SONOKIT插入式超声波流量计进行检测，标定装置精度达到2‰ 。试验结果是超声波流量计在配备标准测量直管段情况下，清水管线完全可以达到1%的计量精度，而且管径越大精度越高，管径越大稳定性越好，可以作为大口径水流量计在线校准仪表。当现场情况不能完全满足仪表计量技术要求时，如前直管段长度不够或水中悬浮物超标及管线有沉沙或液体不满管情况下，达不到所要求的计量精度。
综上所述，我们建议在大口径清水管线计量系统安装时，同时串接一个标准超声波测量管段，测量管段安装的技术要求应同超声波流量计一样，满足直管段要求和液体应充满测量管的要求。现场校准时，把超声波探头安装在标准超声波测量管段换能器护套内 ，把管段的参数输入二次表，对大口径水管线计量系统进行校准。对于已经安装完的大口径清水管线计量系统，可以使用外夹式超声波流量计进行在线校准。
对大口径水流量计进行在线校准技术方面的探索， 从1999年初就已开始。我们在大量的调查研究的基础上，决定从示踪法和超声波法两方面着手，对大口径水流量计在线校准问题做进一步的尝试。
1．用示踪法对大口径水流量计在线校准
用示踪法测量水流量的历史可追朔到上个世纪的二十年代。这种方法对测量大口径管道、开口的流道和变截面流道的流量有着独到的优势。它是根据流量的定义进行流量测量的一种测量流量的**方法。在测量流量中使用的示踪剂可以是放射性的或非放射性的物质。示踪剂法测量流量的方法大致可分为三种：峰定时法、总计数法和稀释法。作为流量计的在线校准装置，峰定时法*为适合。它的主要特点是：
① 有较高的精度；
② 不需要测定注入的放射性溶液的量；
③ 对探测器不需要进行刻度；
④ 要求被测管道的截面为已知。
峰定时法的工作原理是将 一小体积的放射性溶液快速注入到被测的流体中。在下游的某两点安装两个射线探测装置检测示踪剂浓度峰值通过的时刻。已知两个射线探测装置的距离L和示踪剂浓度峰值出现时间差T，即可求出线性流速 u= L / T 。则流量 Q =S·u。 为了验证示踪法在大口径水流量计在线校准上的可行性，我们在实验室内建立了水循环系统试验装置，系统由DN 200 mm 管道及管道泵组成。管道总长约14米，内部体积约 0.44m3 。试验时流量的改变是通过变频电源改变泵电机的电源频率实现的。化学示踪法试验采用的示踪剂是 ZnCl2的水溶液，ZnCl2的水溶性非常好。每100克水可溶解395克 ZnCl2。探测装置采用 238Pu 放射源和 NaI(Tl) 闪烁计数器。由 238Pu发射的低能 x 射线穿过测量间隙打到 NaI (Tl)闪烁计数器上被记录，它的强度决定于测量间隙中的介质的成分和密度。当水流中含有示踪剂时，介质对 x 射线的吸收增加。探测器记录x 射线强度减弱。在示踪剂注入到管道后，在水流体中形成一个局部的示踪剂浓度包。它随水流向下游运动，通过探测器时即可被检测到。由于在示踪剂浓度包中流体的密度和成分都有变化，造成对 x 射线吸收的增加，探测器测到的计数就减少。
用上面描述的设备和方法得到的一组试验结果可以看出，用这种方法测量的数据离散性比较大。*差的数据是在电源频率为10Hz时，重复性为14.2%，其次是在 20Hz时，为11.8%。
对化学示踪法的试验结果进行分析，下面两点可能是导致试验结果不理想的主要原因：**是流态受到干扰，这是由于示踪剂注入的量较大，注入压力也比较大以及探测器侵入到管道内所造成的；**是信号相关性差，由于示踪剂注入后的初始形态及随后在运动中的扩散过程均有随机性，在达到探测器时又未能达到均匀分布，加上探测器的探测面积仅占管道截面的一小部分，因此造成信号相关性差。而侵入的探测器对流态的干扰又使信号相关条件更加恶化。基于流态受到干扰和信号相关性差是导致试验结果不理想的主要原因的分析，确定采用放射性同位素作为示踪剂、不需要侵入到管道中去的NaI晶体做探测器，进行进一步的试验。
同位素示踪法试验采用放射性同位素作为示踪剂，用峰定时法测量流量，试验使用化学示踪法所用的同一水循环系统试验装置。示踪剂注入器和探测器有所不同。同位素示踪剂可以选择的品种很多，但需要考虑的影响选择的因素也很多，诸如半衰期、射线的能谱、载体的化学性质、价格等等，需要根据这些因素作综合评价进行选择。我们选择113mIn（铟-113m）作为示踪剂。它可以从铟-113m放射性核素发生器获得。铟-113m放射性核素发生器的价格较高，但是它有很多优点，特别适合于研究阶段使用，*主要的有两点：**是使用方便。虽然113mIn 的半衰期仅为100分钟，但它可以方便地从铟-113m放射性核素发生器获得，就像挤牛奶一样。而且几乎每天可以“挤”一次，所得到的113mIn的量是按母体113Sn的半衰期—115天减少的。不像其它短半衰期的同位素那样，在使用时必须由供应地空运。**是半衰期和射线种类合适。母体的半衰期为115天，一般可以使用半年以上（视订购的铟-113m放射性核素发生器 的强度等级和使用时所要求的113mIn的强度而定）。而子体113mIn的半衰期又很短，它对流量测量来说卓卓有余，但对环境的影响微乎其微。
同位素示踪法的流量测量试验中，示踪剂注入器与化学示踪法示踪剂注入器虽然具有相同的功能，但在设计要求上有所差别。一是同位素示踪剂溶液一般用量很小，只要满足对放射性总量的要求即可，以便于操作和防护。因此，要求它能够在很短的时间内（理论上越短越好）将5-10毫升的溶液注入到管道中去。二是同位素示踪法是基于一小体积的放射性溶液的快速注入，它随水流移动时会逐渐散开，在注入点的下游，探测器测到的计数曲线是不对称的。这种不对称性随着探测器距注入点距离的增加而减小，理想的示踪剂注入应该从管中心向径向喷射，并且有足够的力量使其尽可能布满整个管截面，注入时间应尽可能短，使得在注入时示踪剂在轴向的弥散与随后由紊流造成的弥散相比可以忽略，也就是说，示踪剂的分布应该是一个薄的圆片。示踪剂的注入越接近这一理想状态，为满足一定精度测量所要求的管道长度就越短。注入器主要由锥形密封头、示踪液容器和电磁铁组成。当电磁铁动作时，锥形密封头提起，示踪液在压缩气体的推力下由泄流孔注入到流体中。控制电磁铁通电的时间可以控制注入的示踪剂的量。另外，在示踪液喷管上加装了径向辐射型喷嘴。
与化学示踪法不同的是在同位素示踪法中探测器不需要侵入到管道中去，这是因为它探测的γ射线能量较高。因此探测器的NaI(Tl)晶体较大，以增加探测效率。在试验中使用的NaI(Tl)晶体的尺寸为φ40×50mm。探测器必须要有屏蔽和限束孔，以减少本底计数并使测得的计数曲线更加尖锐。探测器及其安装筒座可以方便地将整个探测装置夹紧在管道上。从9月至11月中旬完成了注入器设计加工、探测器研制、二次表研制等工作并在实验室的循环系统中进行了试验。11月底至12月中旬在大庆油田南六联污水站上进行了现场试验。结果表明，同位素示踪法优于化学示踪法，在满足试验条件的情况下，可以达到±1%的测量精度。
2 用超声波法实现大口径水流量计在线校准
用超声波测量水流量的方法在发达国家已得到了广泛的应用，技术也已经成型，如丹麦的丹佛斯、美国的康乐创、宝丽声、日本的富士等都是生产超声波流量计的专业厂家。近几年，国内也有仪表厂商开始生产超声波流量计，但在技术水平和生产规模上，与国外相比还有一定的差距。
超声波流量计做为大口径管线在线校准仪表，有着其它仪表所无法比拟的优点：
①在不影响被检仪表正常工作的情况下，管外安装校准；
②便于携带，安装方便 ；
③不妨碍流动，无压力损失量；
④无可动部件，维修率低、稳定性好。
超声波流量计有多种形式，从精度上看排序依次为传播速度差法、多普勒法、听音法。多普勒法主要应用于含有很多气泡或悬浊物的液体，如下水、泥水等，听音法适用于辅助测量或开关的监视。做为大口径管线在线校准仪表，我们选用传播速度差法。传播速度差法包括相位差法、声循环法、时间差法，原理基本一致，我们选用时间差法。从原理上看时差法超声波流量计是将流体流动时与静止时超声波在流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来测得流体流速的。从安装角度讲，时间差法超声波流量计可分为外夹式和插入式，外夹式超声波流量计便于携带，安装方便，但在使用过程中，受使用环境影响较大，做为大口径管线在线校准仪表缺少说服力；插入式超声波流量计受使用环境影响较小，适合做为在线校准仪表。
将流体流动时与静止时超声波在流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。取静止流体中的声速为C，流体流动的速度为V，当声波的传播方向与流体流动的方向一致时，其传播速度为（C+V），而声波的传播方向与流体流动的方向相反时，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），声道夹角为θ，管道内径为D， K为流通系数，S为管道横截面积。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t2，则：
t1 =L/（C-Vcosθ）
t2= L/（C+Vcosθ）
管内介质的流速： V=лKSD3（t1+t2）/8t1t2cos2θ
测量时，超声波收发器应置于流管的正侧面，这样做的理由在于，气泡易于聚集在管道的上方，大的异物则沿管道底部流动，它们都将妨碍超声波的穿过。
2000年4月，设计制做了DN300、DN150两段插入式时差法超声波流量计测量管段，为了能方便换能器的拆装，设计制做了球阀式换能器护套，**测量超声波探头间距、超声波探头与直管段的角度和标准直管段的壁厚。首先在石油工业计量测试研究所的水流量标定管线上，做了两组试验，对SONOKIT插入式时差法超声波流量计进行了实验室试验研究。试验采用容积法对SONOKIT插入式超声波流量计进行检测，标定装置精度达到2‰ 。试验结果是超声波流量计在配备标准测量直管段情况下，清水管线完全可以达到1%的计量精度，而且管径越大精度越高，管径越大稳定性越好，可以作为大口径水流量计在线校准仪表。当现场情况不能完全满足仪表计量技术要求时，如前直管段长度不够或水中悬浮物超标及管线有沉沙或液体不满管情况下，达不到所要求的计量精度。
综上所述，我们建议在大口径清水管线计量系统安装时，同时串接一个标准超声波测量管段，测量管段安装的技术要求应同超声波流量计一样，满足直管段要求和液体应充满测量管的要求。现场校准时，把超声波探头安装在标准超声波测量管段换能器护套内 ，把管段的参数输入二次表，对大口径水管线计量系统进行校准。对于已经安装完的大口径清水管线计量系统，可以使用外夹式超声波流量计进行在线校准。
文章关键词： 产品研发