一种天然气管道温度传感器在线校准方法技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其是涉及一种对用于天然气管道温度传感器的在线校准方法。
背景技术
随着天然气作为环保能源地位的不断上升，天然气计量工作的重要性也越来越突出。对天然气进行准确、公平和公正的计量不仅是天然气工业重要组成部分，也是对天然气进行科学管理的一项重要技术工作，同时还关系到多方利益。天然气管道中天然气的实际温度对于天然气的体积、能量计量有直接关系。在天然气传输过程中，通过在管道上打孔，安装温度传感器来检测和监控管道内天然气的温度。因此，在一条天然气输送线路上，会有大量温度传感器工作。而对于这些温度传感器的定期检定和校准，是确保整个输气线路数据公正准确的必要途径。工作现场温度传感器的传统检定方法是在停气后，将其拆下送至法定计量检定部门进行检定校准。这种方法的缺点首先是需要停气，严重影响了输气管路的工作效率；其次，管路上大量温度传感器的拆装工作需要花费很多的人力；另外，频繁的拆装对于传感器本身精度也有影响，会减少传感器的使用寿命。因此如何简便快捷地实现对使用中温度传感器的校准是提高输气效率，降低运行成本的有效途径。中国专利授权公告号CN201909688U，授权公告日2011年7月27日，名称为“一种温度传感器现场校准装置”的实用新型专利，提供了一种现场校准温度传感器装置。它包括温度传感器现场综合校准仪和温度传感器校准箱，温度传感器校准箱包括高低温试验槽体、温度设置按键、传感器以及传感器和传感器现场综合校准仪连接线，传感器通过传感器和传感器现场综合校准仪连接线与传感器现场综合校准仪相连接、传感器在温度传感器校准箱中。利用该装置现场校准温度传感器，需要搬运高低温试验槽体，该试验槽还需要与现场相匹配，使用局限性大，搬运、拆装都不方便。
发明内容
为了解决现有技术存在天然气管道温度传感器送检校准会影响正常输气在线校准需要增加特制的附加装置使用范围受限，搬运、拆装不方便的技术问题，本发明提供一种在不停气，不拆卸的前提下，实现对天然气管道上温度传感器的在线校准方法。
本发明的技术方案是：一种天然气管道温度传感器在线校准方法，它包括以下步骤：获取被校准温度传感器所处天然气管道的外壁温度two、外壁附近风速u、现场环境温度tfo；根据公式计算得到管道外壁综合对流换热系数ho；由环境传递给天然气管道外壁热量Φ1＝hoπdol(tfo-two)、天然气管道外壁传递到内壁的热量天然气管道内壁传递给管内天然气的热量Φ3＝hiπdil(twi-tfi)三者相等，计算得到管道内天然气温度tfi；将计算得到管道内天然气温度tfi与被校准温度传感器示值读数比较，得到误差值；判断被校准温度传感器是否合格。只要测出被校准温度传感器所处天然气管道的外壁温度、现场环境温度和风速，通过计算就能得到被校准温度传感器误差，测量简单，提高校准效率。不停气、不拆卸被校准温度传感器，降低劳动强度，节约检测成本。
作为优选，外壁温度two测试点为测试点A，测试点A位于天然气管道外表面且沿天然气管道外壁母线均布。
作为优选，现场环境温度tfo测试点为测试点B，测试点B设置于测试点A沿天然气管道直径方向，测试点B与测试点A距离为L。
作为优选，外壁附近风速u测试点为测试点B。
作为优选，测试点A设有五至十五个，两个测试点A间隔距离为H。
作为优选，两个测试点A间距H为80—120cm。
作为优选，测试点A与测试点B之间的距离L为5—20cm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本方法可以在不停气，不拆卸的前提下，实现对天然气管道上温度传感器的在线校准，测量简单，提高检测效率。减少因拆装导致的温度传感器精度降低或机械损伤，节约人工成本和检测成本。
附图说明
附图1为天然气管道内外传热示意图；
附图2为天然气管道外测试点分布示意图。
图中：1-天然气管道；2-被校准温度传感器。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：
如图1和2所示，一种天然气管道温度传感器在线校准方法，它包括以下步骤：在天然气管道1内的天然气气流稳定时，获取被校准温度传感器2所处天然气管道1的外壁温度two、天然气管道1外壁附近风速u、天然气管道1现场环境温度tfo。
外壁温度two测试点为测试点A。测试点A设有五至十五个。测试点A设置在天然气管道1上方和两侧，为了方便说明，本实施例以五个测试点A举例说明，位于天然气管道1侧面。测试点A位于天然气管道1外表面且沿天然气管道1外壁母线均布。两个测试点A间隔距离为H。本实施例H值取100cm。在测试点A用表面温度计测得外壁温度two。本实施例用ASL表面测温计，将探头沿天然气管道1轴向固定，并确保探头与壁面接触，从而获得更准确的表面温度值。获取被校准温度传感器2所处天然气管道1现场环境温度tfo，测试点为测试点B。测试点B设置于测试点A沿天然气管道1直径方向。测试点B离天然气管道1中心轴的距离大于测试点A离天然气管道1中心轴的距离。测试点B与测试点A距离为L。本实施例L值取15cm。用环境温度计放置在测试点B，测试天然气管道1的现场环境温tfo。风速仪放置在测试点B，测出被校准温度传感器2所处天然气管道1的外壁附近风速u。
根据公式(1)，计算得到管道外壁综合对流换热系数ho。
公式(1)中：λo为对应温度下空气的导热系数、N为常量，通常取3、do为天然气管道1外径，可以通过管道规格查到、NuF为强制对流的努赛尔数、NuN为自然对流的努赛尔数。天然气管道1外壁与环境的换热，是一个复杂的换热过程，既包括辐射换热，也包括对流换热，而对流之中又包括了空气流动的强制对流和管道外壁的自然对流。图1中虚线箭头为天然气管道内外传热示意。对于被校准温度传感器2所处天然气管道1，天然气管道1的现场环境温tfo和外壁温度two可以直接测量到。天然气管道1内的管道内天然气温度tfi和内壁温度twi只有通过计算得到。对于辐射换热，由于天然气一般温度只有8-15℃，与环境温度十分接近，且天然气站地上部分管道一般都不受阳光直射，所以辐射换热量很小，相对于对流换热少了几个数量级，可以忽略。在对流换热中，主要考虑自然对流和强制对流两个部分。其中自然对流取水平圆管自然对流模型，强制对流取流体横掠圆管模型。计算方法分别为：
①强制对流换热根据公式(2)计算，
公式(2)中：a为对应特征温度下空气的热扩散率，查表可以得到、ν为对应特征温度下空气的运动粘度，查表可以得到、u为现场风速，已经通过风速仪测出、do为天然气管道1外径、C1和n1的值可以根据Re的范围通过表(一)得到。
表(一)Re C1n1
0.4～4 0.989 0.330
4～40 0.911 0.385
40～4000 0.683 0.466
②自然对流换热根据公式(3)计算，
公式(3)中：g为重力加速度、do为天然气管道1外径、αV为空气的体膨胀系数、two为外壁温度、tfo为现场环境温、T为空气热力学温度、ν为对应特征温度下空气的运动粘度、C2和n2的值可以根据Gr的范围通过表(二)得到。
表(二)Gr C2n2
1.43X104～5.76X1080.48 1/4
5.76X108～4.65X1090.0165 0.42
>4.65X1090.11 1/3
通过公式(1)、(2)和(3)计算，得到管道外壁综合对流换热系数ho。
计算天然气管道1内的天然气温度tfi。根据热量传导时的能量守恒原则，在传热学中，对于一段稳定的天然气管道1，其热量的传递可以视为一种稳态的传热过程，即：周围环境通过辐射、对流等综合方式传递给管道1外壁的热量Φ1；算天然气管道1本身从外壁通过导热的方式传递到内壁的热量Φ2；算天然气管道1管内壁通过辐射和对流传递给管内气体的热量Φ3，在稳态时，这三个热量传递的方向和数值是一样的。由公式(4)计算天然气管道1外壁热量Φ1，
Φ1＝hoπdol(tfo-two)(4)
公式(4)中：ho为管道外壁综合换热系数，已经计算得到、tfo为现场环境温度、two为外壁温度、do为天然气管道1外径、l取为单位长度。
由公式(5)计算天然气管道1从外壁传递到内壁的热量Φ2，
公式(5)中：λ为天然气管道1导热系数，可以通过查表或者取样检测得到、l取为单位长度、two为外壁温度、twi为内壁温度、di为天然气管道1内径，可以通过管道规格查到、do为天然气管道1外径。
由公式(6)计算天然气管道1内的热量Φ3，
Φ3＝hiπdil(twi-tfi)(6)
公式(6)中：hi为天然气管道1内天然气与管道内壁对流换热系数，可以通过查表得到、di为天然气管道1内径、l取为单位长度、twi为内壁温度、tfi为管道内天然气温度。
根据热量传导时的能量守恒原则，，即Φ1＝Φ2＝Φ3，由公式(4)、(5)、(6)计算得到管道内天然气温度tfi。
将计算得到管道内天然气温度tfi与被校准温度传感器2示值读数比较，得到误差值。以计算得到的管道内天然气温度tfi为标准温度。本实施例取五次计算得到的管道内天然气温度tfi的平均结果为管道内天然气温度的标准温度。被校准温度传感器2的示值为tf，从被校准温度传感器示值窗读取。五次被校准温度传感器2的示值的平均值为被校准温度传感器2的平均示值。被校准温度传感器2的示值误差可以表示为：
将被校准温度传感器2的示值误差与校准标准对照，依据标准判断被校准温度传感器2是否合格。