CN106643987A - 一种多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法。本发明基于四声道超声波气体流量测量装置，包括四声道超声波传感器管段、传感器前端处理模块、数据采集控制模块和计算机。本发明首先通过在线声速测量确定异常声道的位置，然后舍弃异常声道的测量数据，最后通过调整其它正常工作声道对应的权重系数，利用正常工作声道的测量数据计算管道内气体的流速和流量，以弥补声道出现故障后流量计量的偏差，使得多声道超声波气体流量计在声道故障发生之后到故障排除之前仍能保证较高的计量精度。本发明为多声道超声波气体流量计的在线故障诊断及补偿提供了一种有效的解决思路，所提出的补偿方法可以明显降低因声道故障带来的流量计量的偏差。

Description

一种多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法

技术领域

本发明涉及多声道超声波气体流量测量领域，尤其涉及一种多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法。

背景技术

在天然气、煤气等气体输送过程中，稳定可靠地计量是保证贸易交接公平、公正的重要条件。在气体计量领域，超声波气体流量计凭借测量精度高、量程比宽、无压力损耗、可双向测量等优点，在欧美等发达国家天然气贸易交接计量中获得广泛应用。国内超声波气体流量计的研究和应用起步较晚，在西气东输工程中，天然气贸易交接和管道流量计量采用了高精度的超声波气体流量计，这在国内大口径输气管道计量系统中尚属首例。超声波气体流量计根据声道数量的不同可以分为单声道超声波气体流量计和多声道超声波气体流量计。多声道超声波气体流量计与单声道相比，能更好地适应动态流场分布，具有较高的测量精度，广泛应用于大口径天然气等气体贸易计量。

在气体流量计量过程中，特别是在气体贸易交接计量等工业应用过程中，流量计必须保证持续稳定地运行，以保证气体流量计量的准确性，维护贸易交接的公平。在多声道超声波气体流量计运行的过程中，换能器、电路或其它原因故障均有可能导致流量计的某一声道测量出现异常。由于管道内气体流量是通过对各声道流速测量值加权积分计算得到的，因此当某一声道流量测量出现异常情况时，流量计量将出现较大偏差，这将造成巨大的经济损失。当出现声道故障问题后，一方面由于气体流量计量的不间断性不能马上切断管路进行故障的诊断和排除，另一方面流量计的生产厂家维修和更换流量计部件需要一定的时间。为了保证流量计在声道出现故障到问题解决这一时间段内仍能提供较高的计量精度，必须采取一定的补偿方法降低声道发生故障后流量计量的偏差。

本发明针对多声道超声波气体流量计在某一声道出现故障后会导致较大的流量计量偏差这一问题，提出了相应的故障诊断及补偿方法。该发明首先通过在线测量声速确定异常声道的位置，然后通过调整正常工作声道对应的权重系数，利用正常工作声道的测量数据进行加权计算流量，最后能够实现气体流量的正常测量。本发明可以弥补声道故障带来的流量计量偏差，能够使流量计在无法及时更换和维修的情况下仍能保证较高的计量精度，这为多声道超声波气体流量计的稳定可靠连续运行提供了一种解决思路。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法。

本发明的技术方案如下：

多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法包括以下步骤：

1)四声道超声波气体流量计在管道内不同高度的水平截面上布置着四对超声波换能器，四个声道沿管道中心所在水平面对称布置，即水平面上下各布置两个声道，每个声道上的两个换能器的连线与管道轴线呈一定角度。通过每对超声波换能器交替发射和接收超声波信号测得各个声道上超声波信号在顺流中的渡越时间t_d和在逆流中的渡越时间t_u，然后根据时差法计算得到对应声道上的平均流速v。通过依次计算四个声道上的流速测量值v，获取圆形管道内不同流层上的流速信息。

2)通过判断单一声道上最大测量声速差是否在允许的范围内监测各个声道的工作状态。各个声道上的测量声速为其中，i是声道编号(1-4)，C_fi是第i声道上的测量声速，L_i是第i声道长度，t_di是第i声道上超声波的顺流渡越时间，t_ui是第i声道上超声波的逆流渡越时间。在声道长度一定的情况下，各声道的测量声速只与该声道上超声波信号在顺、逆流中的渡越时间有关。在多声道超声波气体流量计正常运行的过程中，单一声道上测量得到的测量声速不会有明显的改变。当某一声道出现故障后，该声道上测量得到的顺、逆流渡越时间将偏离正常值，这将导致该声道上的测量声速将偏离正常范围。当单一声道测量声速差大于0.5m/s时，可判定该声道出现故障。

3)通过判断测量声速和理论计算声速的偏差是否在允许的范围内来监测各个声道的工作状态。工况条件下的理论计算声速为其中，T是实际测量中气体的热力学温度。当某一声道出现故障后，该声道上测量得到的顺、逆流渡越时间将偏离正常值，这将导致测量声速与理论计算声速之间出现较大偏差。通过将理论计算声速和同一条件下多声道超声波气体流量计的各声道测量声速进行比较，当某一声道测量声速和理论计算声速的相对偏差大于0.5％时，可判定该声道出现故障。

4)预先计算四声道超声波气体流量计的任意三个声道对应的最优权重系数，以调整任意单个声道出现故障后其他正常工作声道对应的权重系数。权重系数调整具体方法如下：在声道A出现故障不能正常测量的情况下，利用其它三个正常测量声道B、C和D的测量数据计算管道内气体的平均流速。通过建立式(1)所示的最小二乘函数，当f_A(w)取到最小值时，计算得到的w_B、w_C和w_D是最优的权重系数。此时，利用三个正常工作声道的测量数据加权计算得到的流速和参考流速的误差平方和最小。同理，在声道B、C、D分别出现故障不能正常测量的情况下，其它正常工作声道对应的加权权重系数可以分别通过建立如式(2)-式(4)所示的最小二乘函数计算得到。式(1)-式(4)中，v_Ai、v_Bi、v_Ci、v_Di分别是声道A、B、C、D第i次测量的流速，w_A、w_B、w_C、w_D分别是声道A、B、C、D对应的加权权重系数，V_i为第i次测量的参考流速，n是测量的总次数。式(1)中w_B、w_C、w_D满足w_B+w_C+w_D＝1，式(2)中w_A、w_C、w_D满足w_A+w_C+w_D＝1，式(3)中w_A、w_B、w_D满足w_A+w_B+w_D＝1，式(4)中w_A、w_B、w_C满足w_A+w_B+w_C＝1。

5)当监测到某一声道出现故障不能正常测量时，舍弃该异常声道的测量数据，利用其余正常工作声道的测量数据和对应的调整后的权重系数计算管道内的气体流速，弥补声道出现故障后流速测量的偏差。

优选的，所述的四声道超声波气体流量测量传感器的安装位置由Gauss-Jacobi积分方法确定，即水平面上下各布置两个声道，每个声道上的两个换能器的连线与管道轴线呈一定角度。

本发明具有的有益效果：

1)探索了多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法，在流量计无法及时更换和维修的情况下仍能保证较高的计量精度，为多声道超声波气体流量计的稳定可靠连续运行提供了一种解决思路。

2)本发明对多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法进行了实验验证，能取得较好的效果。

附图说明

图1是四声道超声波气体流量计的声道分布左视图。

图2是四声道超声波气体流量计的声道分布俯视图。

图3是单个声道上时差法测量原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，四声道超声波气体流量计在管道内不同高度的水平截面上布置着四对超声波换能器，四个声道沿管道中心所在水平面对称布置，即水平面上下各布置两个声道。如图2所示，每个声道上的两个换能器的连线与管道轴线呈一定角度。如图3所示，通过每对超声波换能器交替发射和接收超声波信号测得各个声道上超声波信号在顺流中的渡越时间t_d和在逆流中的渡越时间t_u，然后根据时差法计算得到对应声道上的平均流速v。通过依次计算四个声道上的流速测量值v，获取圆形管道内不同流层上的流速信息。

本发明对多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法进行了研究，具体操作步骤如下：

1)由四声道超声波气体流量计依次获取四个声道上超声波信号在顺流中的渡越时间t_d和在逆流中的渡越时间t_u，利用式(5)分别计算各个声道上的流速测量值v，其中L为声道长度，α为声道与管道轴线之间的夹角。

2)通过判断单一声道上最大测量声速差是否在允许的范围内监测各个声道的工作状态。各个声道上的测量声速由式(6)计算得到，其中，i是声道编号(1-4)，C_fi是第i声道上的测量声速，L_i是第i声道长度，t_di是第i声道上超声波的顺流渡越时间，t_ui是第i声道上超声波的逆流渡越时间。在声道长度一定的情况下，各声道的测量声速只与该声道上超声波信号在顺、逆流中的渡越时间有关。在多声道超声波气体流量计正常运行的过程中，单一声道上测量得到的测量声速不会有明显的改变。当某一声道出现故障后，该声道上测量得到的顺、逆流渡越时间将偏离正常值，这将导致该声道上的测量声速偏离正常范围。当单一声道测量声速差大于0.5m/s时，可判定该声道出现故障。

3)通过判断测量声速和理论计算声速的偏差是否在允许的范围内监测各个声道的工作状态。工况条件下的理论计算声速由式(7)计算得到，其中，T是实际测量中气体的热力学温度。当某一声道出现故障后，该声道上测量得到的顺、逆流渡越时间将偏离正常值，这将导致测量声速与理论计算声速之间出现较大偏差。通过将理论计算声速和同一条件下多声道超声波气体流量计的各声道测量声速进行比较，当某一声道测量声速和理论计算声速的相对偏差大于0.5％时，可判定该声道出现故障。

4)预先计算四声道超声波气体流量计的任意三个声道对应的最优权重系数，以调整任意单个声道出现故障后其他正常工作声道对应的权重系数。权重系数调整具体方法如下：在声道A出现故障不能正常测量的情况下，利用其它三个正常测量声道B、C和D的测量数据计算管道内气体的平均流速。通过建立式(8)所示的最小二乘函数，当f_A(w)取到最小值时，计算得到的w_B、w_C和w_D是最优的权重系数。此时，利用三个正常工作声道的测量数据加权计算得到的流速和参考流速的误差平方和最小。同理，在声道B、C、D分别出现故障不能正常测量的情况下，其它正常工作声道对应的加权权重系数可以分别通过建立如式(9)-式(11)所示的最小二乘函数计算得到。式(8)-式(11)中，v_Ai、v_Bi、v_Ci、v_Di分别是声道A、B、C、D第i次的流速测量值，w_A、w_B、w_C、w_D分别是声道A、B、C、D对应的加权权重系数，V_i为第i次测量的参考流速，n是测量的总次数。式(8)中w_B、w_C、w_D满足w_B+w_C+w_D＝1，式(9)中w_A、w_C、w_D满足w_A+w_C+w_D＝1，式(10)中w_A、w_B、w_D满足w_A+w_B+w_D＝1，式(11)中w_A、w_B、w_C满足w_A+w_B+w_C＝1。

5)当监测到某一声道出现故障不能正常测量时，舍弃该异常声道的测量数据，利用其余正常工作声道的测量数据和对应的调整后的权重系数计算管道内的气体流速，弥补声道出现故障后流速测量的偏差。当声道A、B、C、D分别发生故障时，管道内平均流速计算公式分别如式(12)-(15)所示，其中v_A、v_B、v_C、v_D分别是声道A、B、C、D上的流速测量值，w_A、w_B、w_C、w_D分别是声道A、B、C、D上流速的加权权重系数。

V_A＝w_Bv_B+w_Cv_C+w_Dv_D (12)

V_B＝w_Av_A+w_Cv_C+w_Dv_D (13)

V_C＝w_Av_A+w_Bv_B+w_Dv_D (14)

V_D＝w_Av_A+w_Bv_B+w_Cv_C (15)

已利用四声道超声波气体流量计在300mm的管径中进行了气体实流实验，在0m/s～8m/s流速范围内选取了9个流速点，每个流速点重复测量300次。实验结果显示，利用本发明中所提到的方法，在某一声道出现声道故障问题后，补偿后的流速测量平均值和四个声道正常工作下流速测量平均值的相对误差小于1.2％。这表明本发明提出的声道故障诊断及补偿方法是有效的。

Claims (5)

1.一种多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

1)四声道超声波气体流量计在管道内不同高度的水平截面上布置着四对超声波换能器。通过每对超声波换能器交替发射和接收超声波信号测得各个声道上超声波信号在顺、逆流中的渡越时间，然后根据时差法计算得到对应声道上的平均流速；

2)通过判断单一声道上最大测量声速差是否在允许的范围内监测各个声道的工作状态，判断声道是否出现故障；

3)通过将理论计算声速和同一条件下各声道的测量声速进行比较，根据各个声道上测量声速和理论计算声速之间的偏差是否在允许的范围内，判断声道是否出现故障，当故障发生时定位出现故障的声道；

4)预先计算四声道超声波气体流量计的任意三个声道对应的最优权重系数；

5)当某一声道出现故障时，利用其余正常工作声道的测量数据和对应的三声道最优权重系数计算管道内的气体流速，弥补声道出现故障后流速测量的偏差，管道内的气体流速计算公式如式(1)-式(4)所示：

V_A＝w_Bv_B+w_Cv_C+w_Dv_D (1)

V_B＝w_Av_A+w_Cv_C+w_Dv_D (2)

V_C＝w_Av_A+w_Bv_B+w_Dv_D (3)

V_D＝w_Av_A+w_Bv_B+w_Cv_C (4)

其中，V_A、V_B、V_C、V_D分别为声道A、B、C、D发生故障时补偿后的管道内的气体流速，v_A、v_B、v_C、v_D分别是声道A、B、C、D上的流速测量值，w_A、w_B、w_C、w_D分别是声道A、B、C、D上流速的加权权重系数。

2.根据权利要求1所述的多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法，其特征在于所述的四对超声波换能器的安装位置由Gauss-Jacobi积分方法确定。

3.根据权利要求1所述的多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法，其特征在于所述的步骤2)具体为：

在声道长度一定的情况下，各声道的测量声速只与该声道上超声波信号在顺、逆流中的渡越时间有关。在多声道超声波气体流量计正常运行的过程中，单一声道上测得的测量声速不会有明显的改变。当某一声道出现故障后，该声道上测量得到的顺、逆流渡越时间将偏离正常值，这将导致该声道上的测量声速偏离正常范围。当单一声道测量声速差超过允许的范围时，可判定该声道测量出现故障。

4.根据权利要求1所述的多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法，其特征在于所述的步骤3)具体为：

当某一声道出现故障后，该声道上测量得到的顺、逆流渡越时间将偏离正常值，这将导致测量声速与理论计算声速之间出现较大偏差。通过将理论计算声速和同一条件下多声道超声波气体流量计的各声道测量声速进行比较，根据各个声道上测量声速和理论计算声速之间的偏差是否在允许的范围内可以准确定位故障声道的位置。

其中，理论计算声速为T是实际测量中气体的热力学温度；测量声速为其中，i是声道编号(1-4)，C_fi是第i声道上的测量声速，L_i是第i声道长度，t_di是第i声道上超声波的顺流渡越时间，t_ui是第i声道上超声波的逆流渡越时间。

5.根据权利要求1所述的多声道超声波气体流量计故障诊断及补偿方法，其特征在于所述的步骤4)具体为：

在声道A出现故障不能正常测量的情况下，利用其他三个正常测量声道B、C和D的测量数据计算管道内气体的平均流速。通过建立式(5)所示的最小二乘函数，当f_A(w)取到最小值时，计算得到的w_B、w_C和w_D是最优的权重系数。此时，利用三个正常工作声道的测量数据计算得到的流速和参考流速的误差平方和最小。同理，在声道B、C、D分别出现故障不能正常测量的情况下，其它正常工作声道对应的最优的权重系数分别可以通过建立如式(6)-式(8)所示的最小二乘函数计算得到。在式(5)-式(8)中，v_Ai、v_Bi、v_Ci、v_Di分别是声道A、B、C、D第i次测量的流速，w_A、w_B、w_C、w_D分别是声道A、B、C、D对应的加权权重系数，V_i为第i次测量的参考流速，n是测量的总次数。式(5)中w_B、w_C、w_D满足w_B+w_C+w_D＝1，式(6)中w_A、w_C、w_D满足w_A+w_C+w_D＝1，式(7)中w_A、w_B、w_D满足w_A+w_B+w_D＝1，式(8)中w_A、w_B、w_C满足w_A+w_B+w_C＝1。

$f_A\left(w\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(\right(w_B{v}_{Bi}+w_C{v}_{Ci}+w_D{v}_{Di})-V_i)}^2---\left(5\right)$

$f_B\left(w\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(\right(w_A{v}_{Ai}+w_C{v}_{Ci}+w_D{v}_{Di})-V_i)}^2---\left(6\right)$

$f_C\left(w\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(\right(w_A{v}_{Ai}+w_B{v}_{Bi}+w_D{v}_{Di})-V_i)}^2---\left(7\right)$

$f_D\left(w\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(\right(w_A{v}_{Ai}+w_B{v}_{Bi}+w_C{v}_{Ci})-V_i)}^2---\left(8\right).$