一种超声流量计量监控方法与系统与流程

本发明涉及超声流量计量技术领域，尤其涉及一种超声流量计量监控方法与系统。

背景技术：

近年来国家出台政策鼓励使用清洁能源，越来越多的终端用户使用天然气替代煤炭，减少空气污染，提高环境质量。但是城市低压天然气计量大多采用机械式技术如家庭与工商业户用皮膜表、腰轮、涡轮流量计等，此类流量计(表)存在机械转动部件，随着运行时间加长，机械传动部分会因脏污、磨损等使贸易计量产生偏差。但常用的机械技术计量表及流量计并不具备智能诊断功能，无法判断计量仪表是否处于正常工作状态，同时也不能避免、报警偷气现象的发生，造成燃气公司供销差往往较大，导致经营损失。

气体超声流量计因其无转动部件，具备智能诊断功能，在长输高压管线分输站得到广泛应用。遵照相关国际与国家标准，现存气体超声流量计采用时间差法，通过两个超声传感器测量正反两方向声速传输时间，导出气体流速，达到计量气体流量的目的。时间差法示意图见附图1。时间差法公式如下：

及

按照上述公式，推导出时间差法公式为：

及

其中：

tab＝传感器a到传感器b的声波传输时间

tba＝传感器b到传感器a的声波传输时间

l＝测量距离

vt＝时间差法测量的气体流速

c＝声速

时间差法要求：构成计量声道的传感器必须配对存在；传感器本身可发射声波，也能接收对面配对传感器的声波信号。

时间差法公式(1)表示：气体流速只与传输时间和测量距离有关，与被测介质的温度、压力、组分及声速等没有关系，能够在复杂变化的现场条件下保证准确的流速测量。这也是时间差法能够广泛应用在速度式气体流量计的主要原因。

时间差法可同时得到气体中传播的测量声速c，如公式(2)。根据美国燃气协会agano.10实际的声音传播速度c与压力、温度和介质组分等现场影响因素相关联，如果时间差法检测到的声速c与实际声速c之间产生较大偏差，例如超过0.5％，则可表明现场影响因素发生了变化。

目前常见的为对射式四声道气体超声流量计。采用时间差法的超声流量计，每对关联的传感器构成一个独立的计量声道，通常情况下，为保证相对较高的测量精度和冗余备份，贸易计量用气体超声流量计多为两声道及以上。

但大多数家庭与工商业用户年度消费燃气总量相对较少，也因此对应用在低压城市燃气计量用表的计量精度要求不高，仪表采购成本控制也较为严格。目前城市燃气计量市场出现的单声道时间差法的超声流量计(表)，成本虽然低廉，如果构成单声道的其中一个传感器出现故障，则该声道也就同时失去了计量功能，无法做到提前预警、冗余备份等智能诊断与补偿功能，对燃气公司造成计量损失，也会产生计量纠纷和不好的社会影响。如果采用冗余备份的两声道(两对超声传感器)或更多声道设计方案，成本则将大幅增加，燃气公司会因成本控制而减少多声道超声流量计的使用数量。

因此现存的成本与冗余之间的矛盾，制约了超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用，尤其针对现有的燃气计量表进行区域采集与控制的方式，有必要提出一种有效的解决冗余备份计量的监控系统与方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在提供一种超声流量计量监控方法与系统，可对同一气源区域内的每个计量表采用单声道对流量进行准确测量，解决现有技术因单声道中的一个传感器出现故障就失去计量功能的问题，同时解决采用冗余备份的多声道设计方案因成本大幅增加形成的成本与冗余之间的矛盾，保证超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。

本发明提供的超声流量计量监控方法，包括：

对输送同一气源的一组超声流量计量表采用时间差法进行声速计量；

当监测到所述一组超声流量计量表中某一计量表构成计量声道的一对传感器中出现单个传感器故障时，调取其他无故障计量表的声速值，作为所述故障计量表的声速c，控制启用以下步骤对该故障计量表进行流量计量：

控制构成计量声道的一对传感器中的无故障传感器发射声波，接收该对传感器中的故障传感器反射的声波信号；

计量所述声波发射与反射的往返时间t；

将所述往返时间t作为被测介质流速的计量时间进行计量，所述无故障传感器至所述故障传感器的距离l，所述流速vd为：

根据所述流速进行流量的计量。

上述的方法，可调取其他无故障计量表的声速值，取所述无故障计量表的声速值的均值作为所述故障计量表的声速c。

上述的方法，可调取其他无故障计量表的声速值，取温度与所述故障计量表最接近的计量表的声速值作为所述故障计量表的声速c。

上述的方法，可调取其他无故障计量表的声速值，取温度与所述故障计量表最接近的一组计量表的声速值的均值作为所述故障计量表的声速c。

上述的方法，对所述同一气源的一组超声流量计量表进行实时监控。

上述的方法，所述同一气源的一组超声流量计量表内的气体压力相同。

上述的方法，将采用时间差法计量的声速储存在处理器内存中；当构成单声道中的一个传感器发生故障时，发出报警信号，调用处理器内存中最近时间内与所述故障计量表温度接近的计量表的声速，作为所述故障计量表的声速c。

本发明还提供一种采用上述方法进行超声流量计量的监控系统，包括一组超声流量计量表与流量计量控制单元，所述一组超声流量计量表并联连接至所述流量计量控制单元，所述流量计量控制单元用于监测并控制所述一组超声流量计量表的气体流速、声速与流量计量参数，当监测到所述一组超声流量计量表中构成计量声道的一对传感器中出现单个传感器故障时，调取其他无故障计量表的声速值，作为故障计量表的声速c，控制所述故障计量表进行流量计量。

上述的系统，所述流量计量控制单元包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序对所述一组超声流量计量表的流速、声速或流量的计量。

上述的系统，所述系统还包括报警器，当监测到计量表出现故障时，所述流量计量控制单元的处理器上运行计算机程序使所述报警器发出报警信号；所述流量计量控制单元的所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

对输送同一气源的一组超声流量计量表采用时间差法进行声速计量；

对输送同一气源的一组超声流量计量表的温度与压力进行计量；

当监测到所述一组超声流量计量表中构成计量声道的一对传感器中出现单个传感器故障时，调取其他无故障计量表的声速值，作为所述故障计量表的声速c，控制启用以下步骤对该故障计量表进行流量计量：

控制构成计量声道的一对传感器中的无故障传感器发射声波，接收该对传感器中的故障传感器反射的声波信号；

计量所述声波发射与反射的往返时间t；

将所述往返时间t作为被测介质流速的计量时间进行计量，所述无故障传感器至所述故障传感器的距离l，所述流速vd为：

根据所述流速进行流量的计量。

本发明的超声流量计量监控方法与系统，可对同一气源区域内的每个计量表采用单声道进行流量的准确计量与监控，并解决了背景技术因单声道中的一个传感器出现故障就失去计量功能的问题，保障计量精度，同时解决了采用冗余备份的多声道设计方案因成本大幅增加形成的成本与冗余之间的矛盾，保证了超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。

附图说明

图1为背景技术对射式流速计量的流程示意图；

图2为本发明单声道反射法流速计量的流程示意图；

图3为本发明超声流量计量监控系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明的气体超声流量计(表)，可广泛应用在燃气组分、管道压力等计量条件较为稳定、有固定的停气周期及较低计量精度要求等的城市燃气计量领域。

本发明的超声流量计量监控方法与系统，可对同一气源区域内的每个计量表进行监控，而且可仅采用单声道超声传感器进行流量的计量。方法主要包括以下步骤：

对输送同一气源的一组超声流量计量表采用时间差法进行声速计量；

当监测到所述一组超声流量计量表中构成计量声道的一对传感器中出现单个传感器故障时，调取其他无故障计量表的声速值，作为所述故障计量表的声速c，控制启用以下步骤对该故障计量表进行流量计量：

控制构成计量声道的一对传感器中的无故障传感器发射声波，接收该对传感器中的故障传感器反射的声波信号；

计量所述声波发射与反射的往返时间t；

将所述往返时间t作为被测介质流速的计量时间进行计量，所述无故障传感器至所述故障传感器的距离l，所述流速vd为：

根据所述流速进行流量的计量。

上述流量计量的方法可称为时间漂移法。

上述的时间漂移法在本文中也称为反射法。相应现有技术的时间差法，本文也称为对射法。时间漂移法的示意图见附图2。

时间漂移法来源于日常现象。例：在静水中划船，a点到b点直线距离l,如以恒速c划船，从a点到b点所需时间为t1,从b点到a点所需时间为t2,往返所需总时间为t,则:

并

显然，t1等于t2，且

如果存在a至b流向的流速恒定水流，流速v不为零时,则：

并

显然，t1不等于t2，时间发生的漂移，且

推导出的时间漂移法公式为：

应用在气体超声流量计时，时间漂移法的公式(3)中：

t＝传感器a测量的反射声波往返传输时间

l＝测量距离

vd＝时间漂移法测量的气体流速

c＝声速

时间漂移法要求：构成计量声道的一对传感器有一个可正常工作即可；传感器发射声波，接收对面传感器反射的声波信号。

时间漂移法公式(3)表示：气体流速与传输时间和测量距离有关外，还与实际声速c有很大关系。本发明中时间漂移法采用的声速是根据同一气源区域内正常工作计量表按照时间差法推导出的声速c,如公式(2)。

如何根据同一气源区域内正常工作计量表按照时间差法推导出声速c，将决定故障计量表的计量准确度。因本监控系统可对所述同一气源的一组超声流量计量表进行实时监控，因而可利用实时性尽量消除因时间差异比如白天与夜晚温差较大造成计量表存在的计量误差。

监控时，将采用时间差法计量的每个计量表的声速储存在处理器内存中。当区域内计量表构成单声道中的一个传感器发生故障时，只有一个超声传感器正常工作时，可发出报警信号，气体流速转换成以正常工作的传感器按时间漂移法测量出的气体流速值。可调用监控系统处理器内存中最近时间内与所述故障计量表温度接近的计量表的声速，作为所述故障计量表的声速c。最近时间可根据实际情况设置，如2小时以内。

取与所述故障计量表温度接近的计量表的声速时，如果同一区域内计量表的温差都不是很大，根据设定误差值要求，可取所有无故障计量表的声速值的均值作为所述故障计量表的声速c。

当然根据误差精度要求，也可取温度与所述故障计量表最接近的一个计量表的声速值作为所述故障计量表的声速c。

同理，也可取温度与所述故障计量表最接近的一组计量表的声速值的均值作为所述故障计量表的声速c。

因流量的计量精度与温度、气压、组分相关，在给监控的一组计量表输送的是同一气源的前提下，所述同一气源的一组超声流量计量的压力基本相同。这样只有温度参数是影响流量计量的影响因素，因而在上述调取声速值时尽量消除了温度的影响。在压力与组分相同的情况下，本发明的监控方法可使得计量表间的温差范围控制在0.1摄氏度以下，而0.1摄氏度变化引起流速的测量误差小于0.02％，这不仅保障了流量计量表出现单个传感器故障仍能正常计量，而且极大地提高了计量表的准确度。

为了实现上述监控方法，本发明还提供一种采用上述方法进行超声流量计量的监控系统，如图3所示，包括一组超声流量计量表1与流量计量控制单元2，多个超声流量计量表1构成一组且并联连接至流量计量控制单元2，所述流量计量控制单元2用于监测并控制所述一组超声流量计量表1的流速、声速与流量计量。该系统的关键是，当监测到所述一组超声流量计量表中构成计量声道的一对传感器中出现单个传感器故障时，调取存储器中其他无故障计量表的声速值，作为故障计量表的声速c，控制所述故障计量表进行流量计量。如此免除了因要防止故障产生而在一个计量表上进行多声道传感器的冗余设置。

具体地，所述流量计量控制单元2包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序对所述一组超声流量计量表的流速、声速或流量的计量。为了对该组超声流量计量表的温度与压力等参数进行横向比较，处理器执行所述程序对输送同一气源的一组超声流量计量表的温度与压力也进行计量。

具体执行步骤如上述方法中所示。

因报警需求，所述系统还可包括报警器，当监测到计量表1出现故障时，所述流量计量控制单元2的处理器上运行计算机程序使所述报警器发出报警信号。

本发明的监控系统及方法，提供了一种易于维修维护、方便管理和冗余保障的低成本气体超声波流量计量解决方案，满足了城市燃气用计量仪表的行业标准与客户低成本的需求。

本发明的超声流量计量监控方法与系统，可对同一气源区域内的每个计量表采用单声道进行流量的准确计量与监控，并解决了背景技术因单声道中的一个传感器出现故障就失去计量功能的问题，保障计量精度，同时解决了采用冗余备份的多声道设计方案因成本大幅增加形成的成本与冗余之间的矛盾，保证了超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。