一種多聲道超聲波氣體流量計故障診斷及補償方法與流程
本發明涉及多聲道超聲波氣體流量測量領域，尤其涉及一種多聲道超聲波氣體流量計故障診斷及補償方法。
背景技術：
在天然氣、煤氣等氣體輸送過程中，穩定可靠地計量是保證貿易交接公平、公正的重要條件。在氣體計量領域，超聲波氣體流量計憑借測量精度高、量程比寬、無壓力損耗、可雙向測量等優點，在歐美等發達國家天然氣貿易交接計量中獲得廣泛應用。國內超聲波氣體流量計的研究和應用起步較晚，在西氣東輸工程中，天然氣貿易交接和管道流量計量采用了高精度的超聲波氣體流量計，這在國內大口徑輸氣管道計量系統中尚屬首例。超聲波氣體流量計根據聲道數量的不同可以分為單聲道超聲波氣體流量計和多聲道超聲波氣體流量計。多聲道超聲波氣體流量計與單聲道相比，能更好地適應動態流場分布，具有較高的測量精度，廣泛應用于大口徑天然氣等氣體貿易計量。
在氣體流量計量過程中，特別是在氣體貿易交接計量等工業應用過程中，流量計必須保證持續穩定地運行，以保證氣體流量計量的準確性，維護貿易交接的公平。在多聲道超聲波氣體流量計運行的過程中，換能器、電路或其它原因故障均有可能導致流量計的某一聲道測量出現異常。由于管道內氣體流量是通過對各聲道流速測量值加權積分計算得到的，因此當某一聲道流量測量出現異常情況時，流量計量將出現較大偏差，這將造成巨大的經濟損失。當出現聲道故障問題后，一方面由于氣體流量計量的不間斷性不能馬上切斷管路進行故障的診斷和排除，另一方面流量計的生產廠家維修和更換流量計部件需要一定的時間。為了保證流量計在聲道出現故障到問題解決這一時間段內仍能提供較高的計量精度，必須采取一定的補償方法降低聲道發生故障后流量計量的偏差。
本發明針對多聲道超聲波氣體流量計在某一聲道出現故障后會導致較大的流量計量偏差這一問題，提出了相應的故障診斷及補償方法。該發明首先通過在線測量聲速確定異常聲道的位置，然后通過調整正常工作聲道對應的權重系數，利用正常工作聲道的測量數據進行加權計算流量，最后能夠實現氣體流量的正常測量。本發明可以彌補聲道故障帶來的流量計量偏差，能夠使流量計在無法及時更換和維修的情況下仍能保證較高的計量精度，這為多聲道超聲波氣體流量計的穩定可靠連續運行提供了一種解決思路。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種多聲道超聲波氣體流量計故障診斷及補償方法。
本發明的技術方案如下：
多聲道超聲波氣體流量計故障診斷及補償方法包括以下步驟：
1)四聲道超聲波氣體流量計在管道內不同高度的水平截面上布置著四對超聲波換能器，四個聲道沿管道中心所在水平面對稱布置，即水平面上下各布置兩個聲道，每個聲道上的兩個換能器的連線與管道軸線呈一定角度。通過每對超聲波換能器交替發射和接收超聲波信號測得各個聲道上超聲波信號在順流中的渡越時間td和在逆流中的渡越時間tu，然后根據時差法計算得到對應聲道上的平均流速v。通過依次計算四個聲道上的流速測量值v，獲取圓形管道內不同流層上的流速信息。
2)通過判斷單一聲道上最大測量聲速差是否在允許的范圍內監測各個聲道的工作狀態。各個聲道上的測量聲速為其中，i是聲道編號(1-4)，Cfi是第i聲道上的測量聲速，Li是第i聲道長度，tdi是第i聲道上超聲波的順流渡越時間，tui是第i聲道上超聲波的逆流渡越時間。在聲道長度一定的情況下，各聲道的測量聲速只與該聲道上超聲波信號在順、逆流中的渡越時間有關。在多聲道超聲波氣體流量計正常運行的過程中，單一聲道上測量得到的測量聲速不會有明顯的改變。當某一聲道出現故障后，該聲道上測量得到的順、逆流渡越時間將偏離正常值，這將導致該聲道上的測量聲速將偏離正常范圍。當單一聲道測量聲速差大于0.5m/s時，可判定該聲道出現故障。
3)通過判斷測量聲速和理論計算聲速的偏差是否在允許的范圍內來監測各個聲道的工作狀態。工況條件下的理論計算聲速為其中，T是實際測量中氣體的熱力學溫度。當某一聲道出現故障后，該聲道上測量得到的順、逆流渡越時間將偏離正常值，這將導致測量聲速與理論計算聲速之間出現較大偏差。通過將理論計算聲速和同一條件下多聲道超聲波氣體流量計的各聲道測量聲速進行比較，當某一聲道測量聲速和理論計算聲速的相對偏差大于0.5％時，可判定該聲道出現故障。
4)預先計算四聲道超聲波氣體流量計的任意三個聲道對應的最優權重系數，以調整任意單個聲道出現故障后其他正常工作聲道對應的權重系數。權重系數調整具體方法如下：在聲道A出現故障不能正常測量的情況下，利用其它三個正常測量聲道B、C和D的測量數據計算管道內氣體的平均流速。通過建立式(1)所示的最小二乘函數，當fA(w)取到最小值時，計算得到的wB、wC和wD是最優的權重系數。此時，利用三個正常工作聲道的測量數據加權計算得到的流速和參考流速的誤差平方和最小。同理，在聲道B、C、D分別出現故障不能正常測量的情況下，其它正常工作聲道對應的加權權重系數可以分別通過建立如式(2)-式(4)所示的最小二乘函數計算得到。式(1)-式(4)中，vAi、vBi、vCi、vDi分別是聲道A、B、C、D第i次測量的流速，wA、wB、wC、wD分別是聲道A、B、C、D對應的加權權重系數，Vi為第i次測量的參考流速，n是測量的總次數。式(1)中wB、wC、wD滿足wB+wC+wD＝1，式(2)中wA、wC、wD滿足wA+wC+wD＝1，式(3)中wA、wB、wD滿足wA+wB+wD＝1，式(4)中wA、wB、wC滿足wA+wB+wC＝1。
5)當監測到某一聲道出現故障不能正常測量時，舍棄該異常聲道的測量數據，利用其余正常工作聲道的測量數據和對應的調整后的權重系數計算管道內的氣體流速，彌補聲道出現故障后流速測量的偏差。
優選的，所述的四聲道超聲波氣體流量測量傳感器的安裝位置由Gauss-Jacobi積分方法確定，即水平面上下各布置兩個聲道，每個聲道上的兩個換能器的連線與管道軸線呈一定角度。
本發明具有的有益效果：
1)探索了多聲道超聲波氣體流量計故障診斷及補償方法，在流量計無法及時更換和維修的情況下仍能保證較高的計量精度，為多聲道超聲波氣體流量計的穩定可靠連續運行提供了一種解決思路。
2)本發明對多聲道超聲波氣體流量計故障診斷及補償方法進行了實驗驗證，能取得較好的效果。
附圖說明
圖1是四聲道超聲波氣體流量計的聲道分布左視圖。
圖2是四聲道超聲波氣體流量計的聲道分布俯視圖。
圖3是單個聲道上時差法測量原理圖。
具體實施方式
下面結合實施例和說明書附圖對本發明作進一步說明。
如圖1所示，四聲道超聲波氣體流量計在管道內不同高度的水平截面上布置著四對超聲波換能器，四個聲道沿管道中心所在水平面對稱布置，即水平面上下各布置兩個聲道。如圖2所示，每個聲道上的兩個換能器的連線與管道軸線呈一定角度。如圖3所示，通過每對超聲波換能器交替發射和接收超聲波信號測得各個聲道上超聲波信號在順流中的渡越時間td和在逆流中的渡越時間tu，然后根據時差法計算得到對應聲道上的平均流速v。通過依次計算四個聲道上的流速測量值v，獲取圓形管道內不同流層上的流速信息。
本發明對多聲道超聲波氣體流量計故障診斷及補償方法進行了研究，具體操作步驟如下：
1)由四聲道超聲波氣體流量計依次獲取四個聲道上超聲波信號在順流中的渡越時間td和在逆流中的渡越時間tu，利用式(5)分別計算各個聲道上的流速測量值v，其中L為聲道長度，α為聲道與管道軸線之間的夾角。
2)通過判斷單一聲道上最大測量聲速差是否在允許的范圍內監測各個聲道的工作狀態。各個聲道上的測量聲速由式(6)計算得到，其中，i是聲道編號(1-4)，Cfi是第i聲道上的測量聲速，Li是第i聲道長度，tdi是第i聲道上超聲波的順流渡越時間，tui是第i聲道上超聲波的逆流渡越時間。在聲道長度一定的情況下，各聲道的測量聲速只與該聲道上超聲波信號在順、逆流中的渡越時間有關。在多聲道超聲波氣體流量計正常運行的過程中，單一聲道上測量得到的測量聲速不會有明顯的改變。當某一聲道出現故障后，該聲道上測量得到的順、逆流渡越時間將偏離正常值，這將導致該聲道上的測量聲速偏離正常范圍。當單一聲道測量聲速差大于0.5m/s時，可判定該聲道出現故障。
3)通過判斷測量聲速和理論計算聲速的偏差是否在允許的范圍內監測各個聲道的工作狀態。工況條件下的理論計算聲速由式(7)計算得到，其中，T是實際測量中氣體的熱力學溫度。當某一聲道出現故障后，該聲道上測量得到的順、逆流渡越時間將偏離正常值，這將導致測量聲速與理論計算聲速之間出現較大偏差。通過將理論計算聲速和同一條件下多聲道超聲波氣體流量計的各聲道測量聲速進行比較，當某一聲道測量聲速和理論計算聲速的相對偏差大于0.5％時，可判定該聲道出現故障。
4)預先計算四聲道超聲波氣體流量計的任意三個聲道對應的最優權重系數，以調整任意單個聲道出現故障后其他正常工作聲道對應的權重系數。權重系數調整具體方法如下：在聲道A出現故障不能正常測量的情況下，利用其它三個正常測量聲道B、C和D的測量數據計算管道內氣體的平均流速。通過建立式(8)所示的最小二乘函數，當fA(w)取到最小值時，計算得到的wB、wC和wD是最優的權重系數。此時，利用三個正常工作聲道的測量數據加權計算得到的流速和參考流速的誤差平方和最小。同理，在聲道B、C、D分別出現故障不能正常測量的情況下，其它正常工作聲道對應的加權權重系數可以分別通過建立如式(9)-式(11)所示的最小二乘函數計算得到。式(8)-式(11)中，vAi、vBi、vCi、vDi分別是聲道A、B、C、D第i次的流速測量值，wA、wB、wC、wD分別是聲道A、B、C、D對應的加權權重系數，Vi為第i次測量的參考流速，n是測量的總次數。式(8)中wB、wC、wD滿足wB+wC+wD＝1，式(9)中wA、wC、wD滿足wA+wC+wD＝1，式(10)中wA、wB、wD滿足wA+wB+wD＝1，式(11)中wA、wB、wC滿足wA+wB+wC＝1。
5)當監測到某一聲道出現故障不能正常測量時，舍棄該異常聲道的測量數據，利用其余正常工作聲道的測量數據和對應的調整后的權重系數計算管道內的氣體流速，彌補聲道出現故障后流速測量的偏差。當聲道A、B、C、D分別發生故障時，管道內平均流速計算公式分別如式(12)-(15)所示，其中vA、vB、vC、vD分別是聲道A、B、C、D上的流速測量值，wA、wB、wC、wD分別是聲道A、B、C、D上流速的加權權重系數。
VA＝wBvB+wCvC+wDvD (12)
VB＝wAvA+wCvC+wDvD (13)
VC＝wAvA+wBvB+wDvD (14)
VD＝wAvA+wBvB+wCvC (15)
已利用四聲道超聲波氣體流量計在300mm的管徑中進行了氣體實流實驗，在0m/s～8m/s流速范圍內選取了9個流速點，每個流速點重復測量300次。實驗結果顯示，利用本發明中所提到的方法，在某一聲道出現聲道故障問題后，補償后的流速測量平均值和四個聲道正常工作下流速測量平均值的相對誤差小于1.2％。這表明本發明提出的聲道故障診斷及補償方法是有效的。
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