（声学专业论文）超声波气体流量计的研制开发.pdf

【摘要】 摘要 超声波气体流量检测是最近十年来发展起来的一种新的气体流量检测方法，随着 城市煤气、天然气应用的逐步普及和工业生产的现代化，特别是国内正在实施的重大 工程西气东输，精确测量气体流量至关重要，在这样一个背景下，超声波气体流量计 也日益受到人们的关注。 用超声波测量气体流量从原理上讲比较简单，而且超声波气体流量计相对于气体 流量计而言有很多优势如可干标、量程宽、可自我诊断等，但由于流量计现场测量的 复杂性，各种因素如流场分布的变化、换能器性能的好坏等都对流量计的测量精度有 一定影响，因此到目前为止仍有很多问题尚未解决。本文主要讨论了以下几个方面的 内容： ( 1 ) 超声波气体流量计的测量原理和影响因素分析，主要分析了速差法超声波气 体流量计的测量原理和流量计的动力校正因子，并详细分析了影响流量计测量精度的 各种因素并提出了解决方法。 ( 2 ) 介绍了夹心式换能器的设计原理及结构要求，针对我们对换能器的要求设计了 相关实验进行换能器的配对以及测量声延时。 ( 3 ) 非对称流场分布对流量测量的影响分析，采用数值分析的方法计算几种非对称 流场对流量计的流量测量误差，并比较了双通道双三角型的换能器安装方式和w 型安 装方式，结果表明前者优于后者。 ( 4 ) 超声波气体流量计的自我诊断以及我们超声测量数据的自检及预处理；提出神 经网络用于解决超声波气体流量计中存在问题的设想。 ( 5 ) 超声波气体流量计的实现和标定。分析了速差法超声波气体流量计的系统结 构、工作原理及采用了多种技术措施实现高精度的流量计系统，另外还研究了流量计 的干标和湿标，并详细论述了音速喷嘴标定系统的原理、标定我们研制的气体流量计 的过程及结果。 a b s t r a c t u l t r a s o n i cg a sf l o wm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei san e w t e c h n i q u et h a th a s b e e nd e v e l o p e di nt h e s et e ny e a r s d u et ot h ew i d ea p p l i c a t i o no fc o a l g a s a n dn a t u r a lg a sa n dt h em o d e r n i z a t i o no fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n sa sw e l la st h e g r a d u a l i m p l e m e n t a t i o n o ft h e i m p o r t a n t n a t i o n a l p r o j e c t t h e g a s t r a n s p o r t a t i o nf r o mw e s tt oe a s to fc h i n a ， u n d e rt h e s ec i r c u m s t a n c e s d e t e c t i n gt h eg a sf l o wh a sb e c o m em o r ea n dm o r ea t t r a c t i v ea n di m p o r t a n t u l t r a s o n i cg a sf l o w m e t e rh a s m a n ya d v a n t a g e so v e rs o m eo t h e rg a s f l o w m e t e r s i ts e e m ss i m p l et om e a s u r et h eg a sf l o wr a t eb yt h eu l t r a s o n i c m e t h o dt h r o u g hm e a s u r i n gt h et r a n s i t t i m eo rv e l o c i t yo ft h ed o w n s t r e a ma n d u p s t r e a m i nt h e p i p e h o w e v e r ，b e c a u s e o ft h e c o m p l e x i t y o ft h e m e a s u r e m e n te n v i r o n m e n t ，t h e r ea r e m a n y f a c t o r st h a tc a na f f e c tt h e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o ns u c ha st h ev a r i e t yo ft h ev e l o c i t y p r o f i l ea n dt h e q u a l i t yo ft h et r a n s d u c e ra n ds oo n s om a n yp r a c t i c a lp r o b l e m ss t i l lh a v en o t b e e ns o l v e d ，t h i sp a p e rw i l la n a l y z et h ef o l l o w i n gp a r t s ： ( 1 ) t h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i c v e l o c i t y d if f e r e n c em e t h o d a n dt h e c o r r e c t i o nf a c t o ro ft h ef l o w m e t e r ，a sw e l la st h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dt h ea p p r o a c ho fi m p r o v i n gi th a v eb e e nd i s c u s s e d ( 2 ) i n t r o d u c et h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r a l r e q u i r e m e n to f t r a n s d u c e r sw i t hf i l l i n g ，p u tf o r w a r ds o m er e q u i r e m e n t so ft h et r a n s d u c e r s t h a tw eu s ea n dd e s i g ns o m ee x p e r i m e n t st om a k et w ot r a n s d u c e r sap a i ra n d m e a s u r et h et i m eo fu l t r a s o n i c ( 3 ) c a l c u l a t et h ei n f l u e n c eo fm a n ya s y m m e t r i c a lv e l o c i t yp r o f i l e so nt h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ff l o w m e t e r ，a n da n a l y z et h ee f f e c to fd i f f e r e n t i n s t a l l a t i o n so ft r a n s d u c e r so nm e a s u r e m e n t a c c u r a c y ( 4 ) i n t r o d u c e t h ec o m m o n d i a g n o s t i ca p p r o a c h e s i nu l t r a s o n i c g a s f l o w m e t e r ，i na d d i t i o n ，s o l v et h ep r o b l e m so fu l t r a s o n i cg a sf l o w m t e ru s i n g n e r v en e t w o r k ( 5 ) f i n a l l y ，s t u d y i n gt h ei m p l e m e n t a t i o na n dc a l i b r a t i o no ft h eu l t r a s o n i c f l o w m e t e r m a i n l yi n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h ef l o w m e t e r w h a t sm o r e ，i n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo ft h ec a l i b r a t i o ns y s t e mw h i c hu s e s s o n i cn o z z l e sa n dc a lib r a t io nr e s u lt s 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果，撰写成硕士学位论文“趋直这氢笠速量让鲍硒壹4 珏筮：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或 集体己经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：黄雪杰 2 0 0 4 年3 月5 日 【一溉述】 一概述 1 1 气体流量测量现状 天然气作为一种优质能源和化工原料其计量越来越被人们重视。随着城市煤气、 天然气应用的逐步普及知工业生产的现代化，气体流量检测在工业生产过程控制、贸 易结算、效益分析与评价及至决策等方面变得曰益重要，也是企业监控生产过程，使 其保持优质、高效、安全、平稳运行的重要手段。如目前国内正在实施的重大工程西 气东输，其中很重要的一个部分就是气体供应量的测量和管理从而计算经济效益，涉 及的经济数额巨大，因此精确测量其流量至关重要。 1 2 常用气体流量检测方法 为了满足各种测量的需要，几百年来人们根据不同的测量原理，研究开发制造出 了数十种不同类型的流量计，大致分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等 l l 】。各种类型流量计的计量原理、结构不同，既有独到之处又存在局限性。目前常用 气体流量检测方法主要有以下几种： ( 1 ) 容积式流量计：在容积式流量计的内部，有一构成固定的空间和一组将该空 间分割成若干个已知容积的小空间的旋转体，如腰轮、皮膜、转筒、刮板、椭圆齿轮、 活塞、螺杆等。旋转体在流体压差的作用下连续转动，不断地将流体从已知容积的小 空间中排出。根据一定时间内旋转体转动的次数，即可求出流体流过的体积量。常见 的有腰轮流量计、活塞式流量计、转筒式流量计等【1j 。 ( 2 ) 速度式流量计：速度式流量计是以直接测量封闭管道中满管流动速度为原理 的一类流量计。涡轮流量计就是速度式流量测量仪表的种。它以动量守恒为基础， 气体冲击涡轮叶片使涡轮旋转，通过测定置于流体中的涡轮的转速来求出流量的大小。 ( 3 ) 节流式流量计：这是一种差压式流量计。在管道中安装一个直径比管径小的 节流件，气体在管道中流动时，由于流通截面突然减小，气体必然要产生局部收缩， 流速加快。根据动量守恒定律，动能和静压能在一定条件下相互转换，流速加快的结 果必然导致静压能的降低，因而在节流件的上、下游之间产生了静压差，这个静压差 的大小与所流过气体的流量有关，可以测量此静压差来求气体流量。通过这一原理测 量流量的仪表成为节流流量计。常用的节流流量计有标准孔板流量计、标准喷嘴流量 计等。孔板流量计是目前工业中使用最多的流量计之一。 ( 4 ) 超声波气体流量计：通过测量超声波沿气流顺向、逆向传播的声时差、声速 差和相位差来推算气体的流量。这是随着电子技术的发展而产生的一类流量计，具有 许多独特的特点。 【一溉述】 孔板流量计、腰轮流量计、涡轮流量计等虽然测量精度也较高，但大都存在着量 程比小、有压力损失、容积大或对媒质要求较高、不能测量双向气流等缺点，并且这 些流量计可测量的管道口径也较小( 一般不超过5 0 0 毫米) 。和这些流量计相比，超声 波气体流量计虽然起步较晚，但由于量程比大、无压力损失、能测量双向气流及脉动 气流、口径大、无转动部件基本上不需维修、精度高等独特的优点，因而一开始就受 到用户的欢迎和气体工业界的重视。 1 3 超声波气体流量检测的现状 利用超声波在流体中的传播速度或者超声波多普勒效应测量流速从而算出流量的 超声波流量计，长期以来一直是人们研究的课题。早在1 9 3 1 年，r u t t g e n 就提出了用 超声波测量流量的原理，但由于技术条件的限制，二十世纪九十年代以前人们研究的 主要是超声波液体流量计。进入九十年代以后，随着电子技术、传感器技术的发展， 特别是各种高速微处理器的出现，才促进了超声波气体流量计的发展，并在逐步走向 实用化、广泛化，目前成为最有前途的一种气体流量测量仪表。 1 3 1 国内研究现状 我国超声流量计起步较晚，7 0 年代才有一些大学和研究所研制开发。现有l o 家 以上企业或研究所生产液体超声流量计，年产近1 0 0 0 台。到1 9 9 5 年超声流量计装用 量估计在5 0 0 0 7 0 0 0 台。我国较有实力的超声流量计制造厂或研究单位有：唐山汇中 仪表厂、开封仪表厂、本溪市通用电子设备厂( 前本溪无线电一厂) 、南京自动化研究 院、上海工业自动化仪表研究所。我国在2 0 多年前由科学院合肥分院与四川石油设计 院联合研制气体超声波流量计，在1 9 9 6 年曾进行了样机试验。本溪无线电一厂也曾开 发推出了c q j 1 a 型气体超声波流量计，但至今还未成功地应用于现场。 气体用的超声流量计比液体用的发展晚。超声波在固体与气体界面间的传播效率 低，管道外夹式换能器难以经过管壁传送足够的声能，均得将超声换能器伸入管道直 接向气体发射和从气体接收声波。 综上所述，目前我国市场上还未见真正产业化的超声气体流量计在该领域使用。 随着国外气体超声流量计的迅速发展，我们同济大学声学研究所及时跟踪国外先进技 术，从9 3 年开始从事超声波气体流量计的研究工作，并于9 8 年正式应用于吴淞煤气 厂燃气公正站的煤气流量测量，研制的速差法超声波气体流量计于9 7 年获得国家实用 新型专利以及上海市科技进步三等奖。目前研制的d n 7 0 0 m m 单通道超声波气体流量 计已在吴淞煤气厂作为和上海市煤气销售公司之间的贸易计量手段稳定运行4 年。 2 0 0 0 年研制的d n 8 0 0 m m 双通道煤气流量计及d n 7 0 0 m m 、d n l 0 0 0 m m 四通道流量计， 也已在现场使用。 【一概述】 通过对超声波煤气流量计的多年研究及流量计在煤气厂水煤气和油煤气生产现场 的长期运行，现在又和上海维思自动仪表有限公司合作研制超声波气体流量计，我们 在超声波气体流量计量、高性能超声换能器的研制、仪器抗干扰能力的提高、在较恶 劣环境中的准确计量以及数据处理等方面都积累了一些丰富宝贵的经验。 i 3 2 国外研究现状 国外对超声波气体流量计的研究已经取得了长足的进步，考虑到了管道状况( 包 括管道的截面形状己及换能器在管道中的安装方式等) 、温度梯度( 包括管道内横向和 纵向的温度分布) 、流场分布( 各种情况下流场的分布) 、换能器设计( 换能器频率的 高低以及发射和接收信号的能力等) 等方面的问题以及它们对流量计测量精度的影响， 数据处理方面也采用了如“神经网络 、“模式识别 等比较先进的技术，但是这些技 术基本都是理论分析和数学模拟，缺少真正的应用。 目前国外研究工作主要在美国、荷兰和加拿大进行，主要研究机构有西南研究所、 哥伦比亚燃气输配公司、丹尼尔公司、杜克能源公司、诺瓦燃气输配公司等。1 9 8 4 年 英国煤气公司委托美国丹尼尔公司( d a n n i e lf l o wp r o d u c t s ，i n c ) 研制用于燃气测量的 超声流量计。1 9 9 4 年9 月前，该公司已向北美及欧洲供应了8 0 台四声道气体超声流 量计。其他研制和生产燃气超声流量计的著名欧洲厂商还有德国e l s t e r 集团中的e l s t e r p r o d u c t i o n ( 工业用流量计) 及k r o m s c h r o d e ra g ( 家用煤气表) 、k r o h n e 公司、荷兰 i n s t r o m e t 公司( 公司总部在比利时) 等1 2 j 。 最新一代的气体超声流量计已经出现，这种杰出的流量计的超声探头( 传感器) 相对于流量计表体处于垂直方位，这与传统的沿倾斜角度插入的传感器不同。将传感 器安装在测量管的半顶部，这样做一方面是为了便于维护，另一方面也是为了防止在 传感器槽( 凹、空穴) 处气体形成涡流。在新一代的超声流量计的结构设计方面的， 另一个特点是；在线带压更换传感器仍是一个由用户决定的任选项。有专门为此而开 发的抽出工具。利用此抽出工具可以无须降低管道中的压力，仅在几分钟之 内更换传感器。对于新一代的超声流量计，超声频率已被提高到2 0 0 k h z ，其结果是 使信噪比得以改善。这使得新一代的超声流量计对于由调压器或调节阀所产生的噪声 更不敏感l j j 。 由于超声波气体流量计存在一些独特的优点：测量精度高、量程比宽、无压力损 失、无移动部件、可测双向及脉动气流、安装使用费低等，因此从一出现就受到广泛 的关注，并逐渐被气体工业界和用户广泛接受。至今已有美国、荷兰、英国等1 2 个国 家政府机构批准它作为贸易结算的法定计量器具，成为继孔板流量计和涡轮流量计之 后出现的第三类高精度的气体流量计。德国研究人员预测，超声波气体流量计正在并 将取代用于高压气体测量的孔板流量计，而后者几乎是6 m p a 以上燃气流量测量的唯 一选择。 【一概述】 美国a g a 于1 9 9 8 年版布了a g a n o 9 号报告用多声道超声流量计测量天然 气流量，总结了阶段性的研究成果，之后不久国际化标准组织( i s o ) 于同年1 2 月 发布了i s o i r 1 2 7 6 5 用时间传播法超声流量计测量封闭管道内的流体流量技术报 告。为了适应我国西部天然气开发，满足西气东输工程的要求，我国于2 0 0 1 年内编制 了g b t 1 8 6 0 4 用气体超声波流量计测量天然气流量的国家标准【4 】。目前澳大利亚 和欧洲各国也正在进行制订国家标准和国家标准的准备工作【5 】【6 】。 相对于孔板、涡轮流量计而言，超声波气体流量计还很年轻，至今尚未有一部关 于它的国家标准或国际标准发布，许多实用问题仍在探索中，但是它的潜力和后发优 势却是显而易见的。 近年在加拿大建成的加拿大输气校验公司的天然实流校验装置( t c c ) ，据说是目 前世界上最精确的高压气体流量标定站，它的精度可达o 1 5 ( 目前已公认为0 2 ) ， t c c 装置就是采用超声流量计作为辅助标准表的。 该装置在天然气输气干线上设一旁路支管，把天然气引入到天然气的实流校验装 置，实验后又被送回到输气干线。该装置的标准表由6 台d n 4 0 0 m m 、2 台d n 2 0 0 m m 气体涡轮流量计以及6 台d n 4 0 0 m m 、2 台d n 2 0 0 m m 气体超声流量计组成，主要标准 表为气体涡轮流量计，次要标准表为气体超声流量计。 1 4 超声波气体流量检测的一般方法 ，根据超声波测量气体流量的不同原理，大致可分为以下几种方法：时差法、相差 法、速差法、频差法、声束偏移法和超声波多普勒法等1 7 j 。 ( 1 ) 时差法：根据检测超声波脉冲在流动媒质中沿气流顺向和逆向传播声时的不 同，由声时差来测量流速。 ( 2 ) 相差法：根据检测连续振荡的超声波在流动媒质中沿气流顺向和逆向传播时 接收信号之间的相位差来测量流速。 ( 3 ) 速差法：根据检测超声波脉冲在流动媒质中沿气流顺向和逆向传播时的声速 差来测量流速。 ( 4 ) 频差法：根据超声波脉冲在流动媒质中沿气流顺向和逆向传播时的重复频率 之差来得到流体的流速。其中任一发射脉冲都是由前一接收信号所触发的，形成所谓 “回鸣”，上述重复频率就是指“回鸣过程”时的脉冲重复频率。 ( 5 ) 超声束偏移法：超声声束在气体中传播时由于气体流动而产生偏移现象，利 用这一现象可量度气体的流速。 ( 6 ) 超声多普勒法：利用超声多普勒效应来得到流体中悬浮粒子的速度，进而得 到流体的流速。 4 【一溉述】 由于频差法和声束偏移法测量精度较低，而且要求电路比较复杂，多普勒法要求 媒质有颗粒，而时差法、相差法所算出的流速和超声波在气体中传播的声速的平方成 正比，而声速又和温度的变化有关。因此，目前国内外气体流量的超声检测大多用速 差法。 从上述超声波气体流量测量原理可以看出，用超声方法测量得到的流量不是管道 内的面平均流速而是声传播路径上的线平均流速。管道内流场分布的畸变会对气体流 量的检测精度产生影响。为了提高精度克服流场分布畸变带来的影响，除了采用软件 的方法进行修正外，采用多通道结构是提高测量精度的最有效方法。目前大口径流量 计一般采用直射活多次反射的多通道( 2 - - 5 通道) 技术来克服速度分布不均匀及旋转 流等不正常流动特性的影响。我们采用双通道双型多次反射安装换能器的方式( 如 图1 4 1 ) 。 搬溅1 赫溅2 搦嫌 换能器1 ( a ) 多次反射 换能器2 换能器3 换能器4通碜勘 ( b ) 虚拟多声道 1 5 超声波气体流量测量的优越性 相比其他的气体流量检测方法，超声波气体流量检测有很大的优越性： ( 1 ) 能测量传统流量计无法测量的双向气流流量。 ( 2 ) 可测量其他流量计无法精确测量的低频脉动气流的流量。 ( 3 ) 量程宽，可测量气体的流速为范围4 - 3 0 r n s ： ，o、 o八， 、一 ， “、。 ， - 、 ，一 ，、 、n， 、一 ， 一 一 一 一 一 一 一 一 一 【一慨述】 ( 4 ) 可适用于较大管径及较大流量范围的测量，最大管径可达2 到3 米，而其他 流量计一般管径都在0 5 米以内。 ( 5 ) 对气体介质的要求较低，对气体中的液滴、固体颗粒和沉积物不敏感，在较 恶劣的条件下仍可正确测量，而其他流量计对气体介质的要求较高，固体颗粒、沉积 物等会影响测量，甚至损坏测量装置。 ( 6 ) 从测量原理上讲，直接测量气体流速，测量精度较高，特别是多通道的超声 波气体流量计可减少由流场分布不均匀造成的影响。 ( 7 ) 测量范围宽，可达1 0 0 1 或以上，比一般气体流量计优得多。 ( 8 ) 超声波换能器可以不伸到管子内部，因此对气体没有流阻、无压力损耗，可 以节约输送能源。 ( 9 ) 具有自我诊断功能，测量时可以剔除由于某种原因所导致的错误测量数据， 必要时可以警告导出的原因。 ( 1 0 ) 在不断流的情况下就可以更换换能器，个别声通道故障也不影响供气。 ( 1 1 ) 无移动部件，基本上不需维修。 ( 1 2 ) 精度高，稳定性和重复性好。 0 3 ) 重量轻，所占空间与面积都很少，不需专门的仪表房。 除了上述测试性能方面的优越性，和其他流量计相比，超声波气体流量计还在仪 器的干标( 无需实流校验) 技术和计量溯源性方面具有独特的优势及发展前景，有专 家预言，超声波气体流量计将是2l 世纪气体流量计的发展方向。 1 6 尚待解决的问题和本论文的主要内容 对于超声波气体流量检测，由于管道内流量参数的动态性质，因此不仅需要研究 仪器本身的各种特性如声时测量的准确性、标准测量短截结构尺寸( 截面积、声程、 换能器的安装位置) 测量准确性等对流量测量结构的影响，还应该研究各种流量特性 流场分布不均匀等因素的影响。从工业化，标准化应用角度来看，超声流量计要获得 工业上广泛应用，还应当解决以下三个方面问题 4 l ： 针对工业流场上游侧不同类型阻力件产生的影响，如何合理确定不同情况下流 量计上游直管段长度； 流量计主体几何尺寸误差所带来对精度的影响： 探头电气特性的稳定性及探头的互换性等。 本文主要进行以下几方面的工作： ( 1 ) 分析超声波气体流量检测的原理，以及在实际应用中可能遇到的一些影响测 6 【一慨述】 量精度的因素并分析各个因素对流量计的测量误差，为更好地研究和解决流量检测中 的实际问题提供研究方向。 ( 2 ) 分析由弯管、旁通等引起的流场不对称分布对各种换能器安装方式的单通道 和多通道流量计的流量测量影响，为高精度超声气体流量计的设计提供了有效的方法。 ( 3 ) 介绍我们使用的夹心式换能器的结构、设计原理，详细介绍了通过我们自己 设计的实验进行换能器配对、声延时测量。 ( 4 ) 分析流量计使用过程中超声测量数据的自检及神经网络的校正方法，为高精 度智能仪器、仪表的研制开发及非线性校正提供一个新的途径。 ( 5 ) 介绍研制的速差法超声波气体流量计系统的结构、工作原理以及音速喷嘴标 定系统装置，对标定过程及标定结果进行分析。 【- 二超声波气 本施量汁的榆删埭埋和测量精度】 二超声波气体流量计的检测原理和影响因素 前一章已经讨论了超声波气体流量检测的方法，本章主要讲述速差法超声波气体 流量检测的原理及动力校正因子，并讨论了影响流量测量的因素和提高测量精度的方 法。 2 1 速差法流量测量的基本原理 速差法测量流量时超声波换能器的基本安装方式如图2 1 1 所示： 接艨携撵撼2 1 2 图2 - 1 1安装原理图 图中两换能器之间超声传播的距离为l ，超声传播的方向与轴线之间的夹角为0 ， 管道内气体静止时的声速为c o ，当管道截面的气体流速均匀分布并且流速为u 时，超声 波顺向传播的声速表示为： c t = 寺= c 。+ “c 。s 秒( 2 - 1 - 1 ) 逆向传播的声速表示为： c ：= 詈= c 。一枷s 秒 ( 2 ) 则顺向和逆向的声速差为： c = c i c 2 = 2 u c o s0( 2 1 3 ) 所以： “= 尘一= 2 c o s 0 2 c o s 8 毒 陋， 炉l i 一刊 犯小4 上式即为速差法超声波气体流量计测量流速的基本表达式，从公式可以看出速差 法测量具有很大的优越性，因为公式只和换能器的安装角度0 、顺向和逆向的声时t i 、 t 2 有关，而和气体静止时的声速、气体的压力、温度以及气体成分、粘度无关，这对 实际的测量是非常有利的。 实际应用时，t t 、t 2 包括了电路、电缆及换能器等产生的延时瓦、f 2 ，因此要扣除 这些影响，故上式可以表示为： 【_ 二超声波气体流量汁的伶测原理和测量精度】 u ：l f ，上一j 一 ( 2 1 - 5 ) = 一i l 【2 l - 5 ) 2 c o s 0l ，i t ，2 一f 2 根据上式只要精确测出声程l 、换能器安装角度0 、顺向和逆向传播声时，t l 、t 2 及延时、f ：，就可以求出管道内的流速u 。根据测得的管道中的气体流速u ，即可得 到管道内气体的瞬时流量q 为： q型上(击一去)(2-1-6)4 2 c o s 0 。 l f l f if 2 一f 2 式中d 为管道直径。 上式测得的流量是当前温度和压力下的瞬时流量，而流量计的标准是要把流量换 算成标准工况下的流量以求统一，所以可把上式表示为： q ：生上f 上一上k 墨 ( 2 - 1 7 ) 。42 c o s 0 i f i 一t 2 一r 2 ，昂r 上式中，p 、t 分别为管道工况条件下所测得气体绝对压力( k p a ) 和绝对温度( k ) ， 昂、死分别为标准工况下所测得的绝对压力( k p a ) 和绝对温度( k ) 。 如果要考虑气体压缩因子的影响，上式进一步写成： p ：生上f 上一上t o z o ( 2 1 8 ) 。42 c o s 0l 一f l ，2 一f 2 气厶 式中z o 为标准工况下的气体压缩因子，z 为测量工况下的气体压缩因子。通过对 管道内连续测量得到的瞬时流量q 进行累计，就可以得到气体的累计流量。 以上我们推导公式的前提条件是管道中的气体流场要均匀分布，在管道截面上每 一点的流速都是一样的。但实际应用中流场的速度分布不仅和流速、管道的粗细、流 量计的安装位置、管道的形状、流量计安装附近有无弯管等条件有关外，还和管道中 的温度分布、管道表面的粗糙度等条件有关，因此流场不可能完全均匀分布。 管道截面上的流速可以用甜( ，秒) 来表示，意味着管道截面的流速是距管道中心 的半径，和与水平线之间的夹角目的函数，而超声波气体流量计测得的气体流速是沿声 传播路径上的线平均流速, 0 甜= l “( 厂，o ) a l ( 2 - 1 9 ) 而要测得气体的流量必须知道沿管道截面的面平均流速u 。： 9 【二 超声波气体流量汁的检测原理和测量精度】 材s2 专驰r ，e m s ( 2 - i - t o ) 因此用超声方法测得的流速应该加以修正： u s = k c u l ( 2 一i 一1i ) 上式中k c 为动力校正因子，其值可由下式得到： 砧= 券 ” 对不同的流速分布，校正因子镌会有所不同，考虑k 。后流量测量方程要改为： q ：一d 2 k c 上r 上一上k 互叠( 2 - 1 - 1 3 ) 42 c o s 0l 一q f 2 一f 2 ，jr t z 2 2 管道内流场分布及动力校正因子 根据流体动力学理论【8 1 ，由于流体的粘滞性，在圆管截面上流体流动的速度是不 同的。当流体在直径均匀的的圆柱型管道中运动时，即使流量不变，在流体从管道入 口处向下游流动的过程中，沿长度方向各管道截面上同一半径位置处的流速也可能是 不同的。对牛顿流体来说，一直到流体流动很长距离后，各管道截面上气体的流场分 布才趋于一致，形成没有旋转并且成轴对称分布的稳定流，这称为“充分发展的流场 ( f u l l yd e v e l o p e df l u i d s ) ，其分布可以用u ( r ) = 龆。觚f ( r ) 。 充分发展后的气流在管道内流动时可以分为层流和紊流( 湍流) 。流体在低速下流 动时表现为层流，在高速下流动时表现为紊流。判断流体是层流还是紊流主要用流体 力学的一个重要参数雷诺数r e 来确定： 。d u t ( e = v ( 2 2 1 ) 式中d 为管道直径，u 为流体流速，v 为流体的粘滞系数。 当雷诺数r e 2 3 0 0 时，流体类型常常由层流变成紊流，由于管壁及其他因素的影 响，一般只有当雷诺数p 大于1 0 0 0 0 时，紊流才完全稳定。 对于这种在圆柱型管道内充分发展的流场，要精确求解函数厂p ) 非常困难，不存 在解析解，许多学者在实验研究的基础上提出了各自描述流场分布的近似表达式，其中 最常见的是n i k u r a d s e 根据大量实验提出的速度分布函数的半经验公式睁儿9 j ： l o 【二超声波气体流量汁的检测原理和测釜精度】 ( 1 ) 当管道内流速较小，雷诺数 4 0 0 0 时，此时气体为紊流状态，速度分布 可以表示为： 驴( ，一云) ( 2 - 2 - 5 ) 式中n 是雷诺数和管道粗糙度精度的函数，对光滑管道，可用p r a n d t l 方程 ( s c h l i c h t i n g ，19 6 8 ) 表示为： 【_ 二超声波气体流