（声学专业论文）音速喷嘴的超声波气体流量计标定系统的建立与研究.pdf

摘要 摘要 随着煤气、天然气以及工矿企业中各种气体原料和其它气体产品的日益增 加，以及国内“西气东输工程的实施，由于所涉及的经济数额巨大，对气体 流量的精确测量己显得日益重要。由于超声波气体流量计具有测量精度高、量 程宽、无流阻、能测量脉动及双向气流等独特的优点，是目前国际计量界公认 为性价比最高、最具发展潜力的气体流量测量仪表之一。 在气体计量技术上，最为突出的问题就是气体计量标准量值的正确传递与 统一。为了实现对研制的超声波气体流量计标准值的传递，在音速文丘利喷嘴 的基础上建立了一套流量标定装置。该流量标定装置是以音速喷嘴组作标准表、 以空气作为气源、采用吸入式负压检定方式的气体流量检定装置。 由于流场分布对超声波气体流量计有着很大的影响，故本文在音速喷嘴标 定系统的基础上研究插入不同角度弯管后的流场分布及其对超声波气体流量测 量的影响和这种影响的校正。同时，通过应用流体力学技术，系统地研究特定 弯曲管道条件下的流动速度场包络分布情况，给出了两种声道布置方式的超声 波气体流量计对这些典型流场的适应能力，并给出了二次仪表的设计与优化思 路，试验证明能够通过此系统能快速、方便、准确地对超声波气体流量计进行 标定。 本文共分七章，其具体内容如下： 第一章为概述部分，该部分以大量的国内外文献为基础，全面论述了流量 计及标定系统的发展历史和现状，确定了以超声波气体流量计及音速喷嘴标定 系统为研究内容。提出了课题的选题意义、立项依据，并说明了论文的主要研 究内容。 第二章研究超声波气体流量计的计量原理，分析各种因素对超声波气体流 量计精度的影响，针对高压气体的情况，研究了高压天然气的压缩因子，分析 并实现了超声波气体流量计对高压气体的测量。研究流量数据的拟合和校正问 题，通过研究b p 网络和r b f 网络的算法，给出用于超声波气体流量计非线性校 正的神经网络的拟合和校正方法， 第三章从音速喷嘴的结构和工作原理出发，研究了音速喷嘴系统的流量计 算公式，研究了通用公式中各个参数的计算方法及取值，分析了公式的整体误 兰 z lo 第四章首先研究了充分发展的流场分布情况，和它对两种不同声道类型的 摘要 超声波流量计流量测量的影响进行了分析并计算了它们的动力校正因子。同时 从流体力学的角度，对管道内的流场进行了进一步分析，从n a v i e r - s t o k e s 方 程出发推导了湍流模式下的k 一占方程及其平均流速的计算方法。运用数值计算 方法对弯管流动流场特性进行了研究和探索，计算了若干种特定弯管角度下， 超声波气体流量计的流量修正系数。 第五章介绍了整个系统的构架和实现。介绍了超声波气体流量计和音速喷 嘴标定系统的系统构架、工作原理和精度分析，同时为了定量的测量不同管道 中的气体流场分布，在分析了柏努利方程的基础上，提出了通过微压差计测量 管道内流场的方法。介绍了基于超声波的多通道微压差计的测量原理和误差分 析，建立了基于柏努利方程的多通道超声波流场测量装置，为定量测量管道内 流场分布提供了方法。 第六章在音速喷嘴标定系统里安装的正三角型及v 字型流量计前安排了第 四章中特定角度的弯管及特定长度的直管段，在接近理论计算中的特定流速下 测量了流量计的流速，同时应用七通道微压差计测量了流场的分布，计算了校 正因子并与理论计算的结果进行了比较。( 在音速喷嘴标定系统上对超声波流量 计进行了标定及试验研究。分析安装方法、流场分布和流速对超声波流量计的 影响，并与理论结果进行比较。) 第七章概括了全文的主要研究成果和论文的创新点，并展望了今后需要进 一步开展的工作。 关键词：超声波，气体流量，检测，压缩因子，文丘利音速喷嘴，标定， 神经网络，不均匀流场分布，有限元，数值计算， i i a b s 仃a c t a b s tr a c t ，w i t ht h er a p i d l yi n c r e a m e n to fu s i n gg a s ，n a t u r a lg a sa n do t h e rg a s t y p er a wm a t e r i a l sa n dp r o d u c t s ，e s p e c i a l l yf o rt h eg a st r a n s p o r tf r o m w e s tc h i n at oe a s tc h i n a ，t h en e e do fa c c u r a t e l ym e a s u r i n gt h ef l o wr a t e isb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tb e c a u s eo ft h eh u g ea m o u n to fin v o l v e d m o n e y b e c a u s eo fitsa d v a n t a g es u c ha sh ig ha c c u r a c y ，wid e s c a lea n d l o wr e s i s t a n c e ，t h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e rc a nm e a s u r ep u l s et y p ef l o wr a t e f o r w a r da n db a c k w a r df l o wd i r e c t i o n sf l o wr a t e ，i ti st h o u g h ta so n eo f t h eb e s t f l o wr a t em e a s u r i n gi n s t r u m e n t si n t e r n a t i o n a i l y f o rt h et e c h n i q u eo fg a sf l o wm e a s u r e m e n t ，t h em e t r o l o g yt r a n s f e r s t a n d a r do nn a t u r a lg a sf l o wr a t eis v e r yi m p o r t a n t v e n t u r lin o z z l e c a l i b r a t i o nd e v i c e ，f o ri t s h i g hp r e c i s i o n ，s t a b i l i t ya n dp r i c et o p e r f o r m a n c er a ti o ，b e c a m eag o o dc h o i c e o u ru n i v e r s i t ys u p p o r t e du st o e s t a b l i s hag a sf l o wr a t ec a l i b r a t i o nd e v i c e t h es y s t e mi sb a s e do nt h e v e n t u r l in o z z l es e ta n du s e sa i ra st h eg a ss o u r c e ，u s e sd r a wi nm e t h o d b e c a u s ev e l o c i t yp r o f i l eh a sal a r g ei n f l u e n c eo nt h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e rf l o wr a t em e a s u r i n gr e s u l t ，t h i sp a p e rw a n t st os t u d yt h ee f f e c t o ft h ea s y m m e t r yv e l o c i t yp r o f il eo nt h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e rm e a s u r i n g r e s u l t u s i n gt h et e c h n i q u eo fc f d ，t h i sd i s s e r t a t i o ns y s t e m i c a l l y s t u d i e da n dt e s t e dt h ev e l o c i t ys p e e dp r o f i l eo fs o m ec o m m o nu p s t r e a m e l b o wt y p ep i p e l i n ei n s t a l l a t i o na n dt h ec o r r e c t i o nf a c t o rf o re a c ho n e w eh o p et h a to u rw o r kw i1 1b eu s e f u l1f o rt h eu s e r sa n dm a n u f a c t u r e st o d e c i d et h eu p s t r e a mi n s t a l l a t i o nc o n f i g u r a t i o na n dc h o o s et h eb e s t f l o w m e t e rt y p e t h i sd i s s e r t a t i o nc o n t a i n ss e v e nc h a p t e r s t h em a i nc o n t e n to fe a c h p a r ti sa st h ef o l l o w i n g ： t h ef i r s tc h a p t e ri sas u m m a r i z a t i o n t h i sp a r tg e n e r a l l yi n t r o d u c e s t h eh i s t o r ya n dt h es t a t u so ft h ef l o w m e t e r sb a s eo nr e l e v a n tp u b l i c a t i o n s s e a r c ha n dt h er e a s o no fw h yt h eu l t r a s o n i cg a sf l o w m e t e ri ss e l e c t e d a st h er e s e a r c hs u b j e c to ft h i ss t u d y t h ep r o j e c t ss i g n i f i c a n c e ， i i i a b s t r a c t b a c k g r o u n d ，m a i nr e s e a r c hc o n t e n t si sa l s op r o v i d e d t h es e c o n dp a r ts t u d i e dt h ep r i n c i p l eo fg a su l t r a s o n i cf l o w m e t e r a sw e l la se a c hp a r a m e t e r sa c c u r a c yi n f l u e n c eo nt h ef l o w m e t e r st o t a l a c c u r a c y a n a l y z e da n da c c o m p l i s h e dt h ea r i t h m e t i cc a l c u l a t i o no fg a s c o m p r e s s i b i l i t yf a c t o rf o rt h en a t u r a lg a s b ys t u d y i n gt h ea r i t h m e t i c o fb pa n dr b fn e t w o r k ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o r r e c ti n gm e t h o disa ls op u t f o r w a r d i nt h et h i r dp a r t ，t h et h e o r ya n df o r m u l ao fs o n i cn o z z l ei s e x p a t i a t e d i nt h i sp a r t ，t h ec a l c u l a t i o no ft h ev a l u eo fe a c hp a r a m e t e r a n da c c u r a c yo ft h ew h o l es y s t e mi sd i s c u s s e d a tt h eb e g i n n i n go ft h ef o r t hp a r t ，t h ef l o wf i e l do ff u ll yd e v e l o p e d f l u i d sa n di t si n f l u e n c eo nt h eu l t r a s o n i cg a sf l o w m e t e r sm e a s u r e m e n t i sa n a l y z e d t h e nb a s e du p o nt h ec o n t i n u i t ye q u a t i o na n dn a v i e r s t o k e s e q u a ti o n d e r i v et h ek se q u a ti o n t h ei n f l u e n c eo fs e r v a lk in d so ff l o w f i e l di ss t u d i e da n dt h ec o r r e c t i o n f a c t o ri sg i v e nb yt h em e a n so f n u m e r i c a lc a l c u l a ti o n p a r tf i v ei n t r o d u c e dt h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l eo ft h eu l t r a s o n i cg a s f l o w m e t e ra n dt h es o n i cn o z z l ec a l i b r a t i o ns y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h i s p a r tb r i n g sf o r w a r dt h em e a n st om e a s u r et h ed is t r i b u t i o no ft h ef l o w f i e l db a s e do nt h eb e r n o u l l ie q u a t i o na n di n t r o d u c e st h em u l t i p a t h u l t r a s o n i cm i c r o p r e s s u r e d i f f e r e n c em e t e r a ni n s t r u m e n tb a s e do np i t o t p r i n c i p l ei se s t a b l i s h e dt om e a s u r et h ed is t r i b u t i o no ft h ea s y m m e t r i c a l f l o wf i e l d i nc h a p t e rs i x ，t h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e ri sc a l i b r a t e db yt h es o n i c n o z z l es y s t e m a n dt h ei n f l u e n c eo fi n s t a l l i n gm e t h o d ，o nf l o wr a t ea n d t h ea s y m m e t r i c a lf l o wf i e l di ss t u d i e df r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t a 1 1a c h i e v e m e n t sa n dk e yi n n o v a t i o np o i n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r e s u m m a r iz e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r kt h a tw il 1b ed o n eisp u tf o r w a r d i nt h el a s tc h a p t e r k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ，g a sf l o w , m e a s u r e m e n t ，c o m p r e s s i o nf a c t o r , y e n t u r li s o n i cn o z z l e ，c a l i b r a t i o n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a s y m m e t r i c a lf l o wf i e l d ，f i n i t e e l e m e n t ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：? 了? 鹌 一孑年弓月f 。e l 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 驰才寸 妒孑年月”日 第1 章概述 第1 章概述 1 1 气体流量检测概述 在现代工业领域中，温度、压力、流量被认为是工业自动化领域的三大测 量参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确 的测量和调节是保证生产过程安全运行、提高产品质量、降低物资消耗、提高 经济效益、实现科学管理的基础n 1 。 随着社会生活的日益进步和工业生产的现代化，城市中对煤气、天然气以 及工矿企业对各种气态产品使用与日俱增，对气体流量特别是涉及较大经济数 额的气体流量的测量已变得日益重要。同时，精确测量气体的流量对一些大型 企业节约生产成本、提高产品利用率等都有着非常重要的意义。 在整个过程检测仪表中，流量仪表的产值约占1 5 1 4 ，流量计在化工、 冶金、石油输送、天然气输送、民用水表、民用燃气等方面有广泛的应用，许 多环节都离不开流量计。 1 1 1 常用的气体流量测量方法 目前，常用的气体流量检测方法有如下几种： 涡轮流量计：以动量守恒原理为基础，气体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转， 涡轮旋转的速度随流速的变化而变化，从涡轮的转速求出流量值。 容积式流量计：其原理是使气体充满具有一定容积的空间，然后，把这 些气体送到流出口，通过测量每次传送的体积和频率来得到气体的流 速。比较常见的有活塞式流量计，转筒式流量计等。 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，气体在节流件中流动时，由于流通截面突然缩小，气体必 然会产生局部的收缩，流速加快，流速加快导致静压能的降低，因而在 节流件的上、下游之间就产生静压差，这个静压差的大小与所流过气体 的流量有关，可以通过测量此静压差来求气体的流量。通过这个原理测 量流量的仪表称为节流流量计。 超声波气体流量计：通过测量超声波沿气流顺向和逆向传播的声时差、 第1 章概述 声速差或相位差等来推算气体的流量。这是近些年来随着电子技术发展 而产生的一类流量计，它有许多独特的优点，将来会逐步替代传统的流 量计。 1 1 2 超声波气体流量测量的现状 超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时，获得所载流 体的流速信息来测量流体流量的。利用超声波在顺、逆流体中的传播速度差或 者超声多普勒效应测量流速进而计算出流量的超声波流量计，长期以来一直是 人们的研究课题。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体流量的原 理， 1 9 5 5 年，世界上第一台超声波流量计在美国诞生，它使用的技术就是声时 差测量法，当时用于航空燃料油流量的测量。 到了8 0 年代中后期，单片机技术的应用使超声波流量计向高性能、智能 化方向发展。由于使用了单片机作中央处理单元，系统不仅可以进行复杂的数 学运算和数据处理、进一步提高超声波流量计的测量精度，而且还能够设计出 友好的人机界面，使系统具有参数设置、自动检错排错功能以及其他一些辅助 功能，大大方便了用户的操作和使用。单片机在超声波流量计中的应用，使超 声波流量计开始真正进入工业测量领域。进入九十年代以后，随着电子技术、 传感器技术的发展，特别是由于各种高速微处理器的出现，促进了超声波气体 流量计的飞速发展，并且正在逐步走向产业化，日益成为最有前途的一种气体 流量测量仪表。 目前，国内超声波流量计生产厂家主要有上海自动化仪表有限公司、唐山 汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、大连索尼卡电子有限公司、 大连长风电子有限公司、北京衡安特测控技术有限公司等。国外对超声波气体 流量计的开发研究工作主要在美国、加拿大、荷兰、德国等国，主要的研究机 构有美国的西南研究所，丹尼尔、宝丽声、康创公司等。欧洲主要有荷兰的 i n s t r o m e n t 公司，德国的e l s e t e r ，k r o h n e 公司，英国的梅克罗尼等。国外著 名的品牌其中美国的宝丽一代d d f 系列超声波流量计使用了d s p 技术，进一步 提高了超声波流量计的灵敏度和抗干扰能力乜儿引。 1 1 3 超声波流量计的优越性 与传统的气体流量检测手段相比，超声波气体流量计主要有以下几个优点： 2 第1 章概述 结构简单，安装、使用和维护方便。 能测量传统流量计无法测量的双向气流，脉冲气流，量程宽，可测量气 体的流速范围达3 0 m s 。 超声波流量计的成本和制造难度不随口径的增加而增加，可用于大小口 径，口径从几十毫米到几米，尤其适合大、中口径管道的测量，且口径 越大精度可以越高。 无移动部件，基本上不需要维修，个别换能器出故障时也不影响流量计 的测量，如要维修，有些流量计可在不断流的情况下就可以更换换能器。 1 2 音速喷嘴的气体流量标定装置概述 1 2 1 常用的气体流量标定装置 常用的气体流量原始标定装置包括以下几种： 钟罩式气体流量标定装置； 活塞式气体流量标定装置； p v t t 法气体流量标定装置； m t 法气体流量标定装置； 常用的气体流量传递标定装置包括以下几种： 转简式气体流量计； 气体腰轮流量计； 气体涡轮流量计； 临界流流量计； 音速喷嘴 1 2 2 音速喷嘴气体流量标定装置的现状 6 0 年代末，西方先进工业国家就将音速喷嘴用于高压、大流量的测试，事 实证明音速喷嘴确实是一种稳定可靠、精度很高的次级标准，得到越来越多的 国家的推广和应用。 1 9 9 0 年国际标准化组织( i s o ) 颁布国际标准i s 0 9 3 0 0 临界流文丘里喷嘴测 量气体流量，它奠定了音速喷嘴作为流量测量检测件的历史地位，在标准中 两种标准节流件圆环喉部文丘里喷嘴和圆筒喉部文丘里喷嘴都得到了认可。到 第1 章概述 目前为止音速喷嘴作为气体流量的传递标准在天然气输气干线实流校验装置上 成为最通甩的流量标准使用。 在最近的十余年来，历届流量测量国际学术会议音速喷嘴皆是主题之一， 所发表的文献不下数十篇。在实际应用中临界流文丘里喷嘴作为气体流量传递 标准已得到普遍采用，全世界著名气体流量标定装置普遍采用它作为流量传递 标准，在气体流量标定装置的国际标定装置比对( 它是统一流量量值的一种通 用方法) 中是最常用的一类传递标准组件嵋1 。 我国从8 0 年代以来，许多单位就开展了对音速喷嘴的研究，并在一些部门 得到了成功的应用，目前已成熟h 1 。上海自动化仪表研究所自1 9 7 6 年就开始研 究并设计生产音速文丘利喷嘴，得到了国家得认可。我们所建立的标定装置的 喷嘴部件就是上海自动化仪表研究所设计生产的。 1 2 3 音速喷嘴气体流量标定装置的基本特点 工作原理清晰，基本上可用一个半经验公式表示，因此在原始标准上标 定的流出系数可应用在不同的操作条件下而保持其精确度。 当流过音速喷嘴的介质，满足一定压差比时，流过喷嘴的流体在音速喷 嘴的喉部达到临界流状态，流量达到稳定不变，因此与传统的差压式流 量计相比，测量准确度高，范围度较宽。 由于结构简单，影响因素很少，因此重复性( 精密度) 很好，检定周期 较长( 般为，3 5 年) 。 入口只需满足滞止条件，因而抗上游干扰能力强，而且由于不受下游侧 流体参数的影响，故无须考虑严格的前后直管段要求。 适用的流体工作条件如温度、压力、最大流量等极宽，几乎不受限制。 容易复制与检验，坚固耐用，维护保养相当简单。 1 3 论文研究目的及内容 1 3 1 论文背景及意义 在与上海中核浦原公司合作开发关于超声波气体流量计的合作项目中，我 们开发并生产了d n l 0 0 型超声波气体流量计，并实现了产业化生产，校方又出 资建立了一套基于音速文丘利喷嘴法气体流量标定设备。本文即对超声波气体 4 第1 章概述 流量计的设计、数据处理及标定，音速喷嘴标定系统的构架和使用等问题进行 了较全面的理论分析与试验验证。 由于流场分布对超声波气体流量计的测量精度有着很大的影响，我们希望 在音速文丘利喷嘴标定系统的基础上，并最终能够通过此系统对流场分布及其 对超声波气体流量计的影响进行分析和校正。 通过对大中口径多声道超声波气体流量计的研制，实现对气体流量的精确 测量，还可以加深对本专业知识的掌握了解并在实际工作生产中的应用，通过 对所遇问题的解决以发展关于超声波气体流量计的流量测量理论，并逐步完善 该技术。 1 3 。2 所需研究的问题及论文的主要内容 流场的分布对超声波气体流量计的影响很大，但对这方面的研究及试验工 作做得较少，主要原因是流体力学工作者很少从超声波气体流量计的角度进行 系统研究。同时，二次仪表开发人员一般对流体力学不了解，也没有条件从流 体流场的角度对流量计的测量精度进行研究。从而导致了流体力学理论和实验 研究与超声波气体流量计的工程应用联系脱节。 本文主要进行以下几方面的工作： 分析超声波气体流量计的基本原理；研究影响超声波气体流量计测试精度 的因素；研究高压下天然气的压缩因子的算法，实现超声波气体流量计对高压 气体流量的测量；完成气体流量计向标定系统计算机的数据输入，在标定系统计 算机内对输入的数据进一步计算、显示、储存； 从文丘利音速喷嘴的的基本原理入手，研究了音速喷嘴标定系统的流量计 算公式，研究了公式中各个参数计算方法及取值，分析了公式的总误差；介绍 了标定系统的软硬件构架： 通过柏努利方程并结合超声波微压差计的原理研制出多通道超声波流场测 定计，实现了对管道中多点流速的测量；构架了整个试验环境，从而为理论计 算结果提供了试验检验的手段； 研究b p 神经网络和r b f 网络的基本原理；研究并实现了b p 和r b f 的训练 算法；将神经网络应用于声时一流量关系的处理中，从而实现了对被标定系统 的数据的拟合和修正： 通过试验，分析标定系统和流量计的稳定性；介绍了整个标定系统的使用 第1 章概述 过程及数据处理方法；对标定的结果进行了分析； 应用流体动力学的方法，研究了理想状况下管道中的层流和紊流的流场分 布，分析其对超声波气体流量计的影响；应用计算流体动力学方法，研究了一 些特定条件下的非均匀流场；并在此基础上研究这些特定流场对超声波气体流 量计精度的影响，提出修正这种影响的方法： 利用自行研制的的七通道超声波流场测量仪和音速喷嘴标定系统观察不同 弯管对流场和超声波流量计测量精度的影响程度和直管段的修正能力，并和理 论分析的结果进行比对； 6 第2 章超声波气体流置测量 第2 章超声波气体流量测量 根据第l 章介绍，超声测量气体流量的方法有速差法、相差法、频差法、 声束位移法、多普勒法等方法，由于速差法所测得的流速与超声在气体中的静 态传播声速无关，因此测量流速或流量不受温度、压力的变化以及媒质成分变 化的影响，有较高的测量精度。本章主要对速差法测流速的原理进行探讨和研 究，对超声波气体流量计的设计和构架作较详细的介绍和分析。 2 1 超声波气体流量计的基本原理 2 1 1 速差法流量测量的基本原理 我们所用的速差法超声波气体流量计的基本原理如图2 1 所示： 图2 1 基本测量原理图 假设超声在两换能器之间传播的声程为，超声传播方向与轴向之间的夹 角为秒，管道气体静止时的声速为气，则当管道截面的气体流速均匀分布并且 流速为“时，则超声波的顺向传播的声速可以表示为： 三 c l 2 百5 c 。懈。沏 ( 2 1 ) 逆向传播的声速表示为： 三 c 2 = i 2 c 0 咄s 伊 则顺向和逆向的声速差为： 7 ( 2 2 ) 第2 章超声波气体流量测量 a c = c l c 2 = 2 u c o sc p ( 2 3 ) 因此由上式得到： u ：l = l 正一马 = = 一卜一一一i 2 c o s 2 c o s 口a 、t lt 2 ( 2 4 ) 上式即为速差法超声气体流量计测量流速的基本公式，从上式可以看出， 采用速差法测量气体流速有很大的优点，首先是公式只和换能器的安装角度、 顺向和逆向的声时、探头之间的距离有关，而和气体静止时的声速c 0 ，气体的 压力、温度和气体成分等都无关，这对实际的测量是非常有利的。 由此可以看出，只要精确测量出声程工、换能器的安装角度缈、顺向和逆向 的传播声时1 、f 2 ，就能求得管道内的气体流速甜，根据所测得的流速u ，假设 圆柱型管道的内径为d 就可以求出管道内气体的瞬时流量钐 p ：生l ( ! 一土1 ) 42 c o s 、t l t 2 7 ( 2 5 ) 由于上式测得的是当前温度和压力下的瞬时流量，而流量计量要有一个统 一的标准状态，所以要把此时的流量换算成标准工况下的流量以求统一，这样， 流量计算公式要改写成： p ：生l 正一一1j p t o 。42 c o s 、t l t 2 7 p 0t ( 2 6 ) 式中，p 、r 分别为管道工况条件下所测得的气体的绝对压力( k p a ) 和绝 对温度( k ) ，p o 、瓦则为标准工况条件下所测得的的绝对压力( k p a ) 和绝对温 度( k ) 。如果考虑气体在高压下压缩因子的影响，则上式要进一步写成： p ：生l ( ! 一马上墨叠 。42 c o s 、t l t 2 7 p otz ( 2 7 ) 式中，么。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。 通过对连续测量得到的瞬时流量蟛进行累计，就可以得到管道内气体的累计流 量，以达到测量流量的目的。从上面的公式推导可以看出，我们推导的前提条 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， 而这只是一个理想状况，实际应用中流场不可能达到完全的均匀分布，流场的 速度分布不仅和流速、介质、管道的粗细、流量计的安装位置、管道的形状、 流量计安装时前面管道有没有弯管凸出物等条件有关外，甚至还和管道中的温 8 第2 章超声波气体流量测量 度分布、管道表面的粗糙度等条件有关。因此，实际应用中，流场的完全均匀 分布是几乎不可能的。 在通常情况下，管道截面上的流速分布可以记做“( ，p ) ，也就是说管道中各 点的流速是距管道中心的半径，和与水平线之间的夹角0 的函数，超声波流量计 测得的气体流速实际上是沿超声传播路径上的线平均流速“工： 铲廿( ， 啦 ( 2 8 ) 而实际希望测到的是沿管道截面的面平均流速“s ： ”s = 专嘶，o ) d s d s ”s 2 百j j “【r ， 。s ( 2 9 ) 因此，用上述方法测得的气体流速应该加以修正： “s2 尼c “ ( 2 1 0 ) 式中，k 称为动力校正因子， k c = m 川比 弦 对于不同的流速分布，校正因子托c 也会有所不同，此时的流量测量方程要 改变成： o 死d 2 k cj l 正一马三墨叠 4 2 c o s # 、t lt 2 异tz ( 2 1 2 ) 由于超声波气体流量计是用声道上的平均流速来表征面平均流速，而在不 同的流场中声道上的流速和面平均流速的关系有一定的区别，这种区别会直接 影响到超声波气体流量计的测量精度，故动力校正因子托c 对超声流量计而言是 一个很重要的参数，在本文的余下部分将会对其作更进一步的探讨和研究。 2 1 2 各个自变量对流量计的测量精度的影响 由误差分析理论可知n3 1 ，假设m 个直接测量值 1 2 m 的误差分别为 仃1 , 0 2 ，仃m ，则在各个仃( f = l ，2 ，朋) 都很小且相互独立的情况下，间 接测量值y = ( x l ，x 2 ，x 朋) 的误差c r y 可以表示成： 9 第2 章超声波气体流量测量 式中，专被称作误差传递系数，其值如下： 孝，：当 dx f 由此可得y 的相对误差为： 盯y 一 少 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 把上面的误差理论应用于我们推导出来的流量测量公式( 2 1 2 ) ，由于气体 的压缩因子低压下一般可以看作是1 ，因此方程中的自变参数为 d ，三，f l ，f 2 ，尸，t ，这几个参数之间是相互独立的，因此推导出： 乞= 詈= 譬去( 挂1 ) f g 一 亭，：望：n d 2 k cj 二( ! 一三) 上墨 “ 砚42 c o s t p 、t l f 2 7 r 丁 f ：望：z t d 2 k c 上f ，兰、l 上墨 孔 a t l 4 2 c o s 缈、f ? ，只t 芦：望：冗j d 2 k c l f 马上墨 t 2 a t 2 4 2 c o s 6 p 、t 2 2 7 e ot 磊=万oo=丛志(挂土)p-t。ot 42 c o sttt 一 “ a 矽、，一 靠= 器= 华志c 翱去争 汜 取流量计测量时的实际工况下的各个参数进行误差计算，其中标准工况下 的压力和温度为：e o 2 1 0 1 6 1 k p a ，r o 2 2 8 8 6 5 k ，对d n l 0 0 型超声波气体流量 计，我们计算在流速大约为1 5 m s 左右情况下的流量计传递误差，计算结果如 表2 。1 所示： 各个参数测量值误差相对误差 d ( r a m ) 9 9 7 70 2 32 3 0 1 0 3 1 0 、j叮等 辨耐 i | 2 y 仃 第2 章超声波气体流量测量 l ( m m ) 2 9 9 4 50 5 5 i 8 3 1 0 3 0 ( 弧度) 1 0 4 7 10 0 0 1 3 61 3 0 1 0 t l ( u s ) 8 3 8 8 0 5 1 0 35 9 6 x1 0 7 t 2 ( u s ) 8 8 8 90 5 x1 0 35 6 2 x1 0 7 p ( k p a ) 1 0 1 6 10 19 8 4 x1 0 4 t ( k ) 3 2 3 00 1 3 1 0 1 0 4 表2 1 流量计的各个参数对测量误差的影响 由此可以计算出各个参数总的传递误差为：0 3 4 。由上表可知，影响流 量计流量测量精度的这几个参数中，流量计的安装角度伊、管道直径d 、声程三 这三个参量的误差所引入的流量计的测量误差最大，而声时、温度、压力的误 差影响则比较小，因此，在参数测量中，对直径和角度的测量应该更注重一些， 以使它们引入的误差较小，而声时由于采用了“随机多次测量后平均的测时方 法 嘲，声时的本身测量精度可以很高( 对于2 7 m s 左右的声时测量误差仅仅为 l n s ) ，因此声时所引入的误差很小。 另外，超声波流量计一旦安装到现场以后，流量计的各个参数就随之固定 了，每个参数所引入的误差也就固定了，这个误差可以认为是系统误差，它可 以通过对流量计的标定而加以修正，一旦修正以后，流量计的测量精度就可以 提高。 2 2 高压气体流量的测量 大口径超声波气体流量计一般会应用在高压环境中，气体在高压下有些特 性会发生变化，所以有必要对高压气体进行番考察，使得我们的超声波流量 计可以在高压下正常测量流量。 2 2 1 气体压缩因子的定义 实际气体与理想气体之间存在着一定的差异，使得在气体流量计量中的精 确度和可靠性出现一定的偏差，特别在高压低温下，任何气体的特性和理想状 态方程都会出现明显的差别，而且压力愈高，温度愈低，偏差就愈大。当燃气 压力大于1 m p a 或者温度很低时，用理想气体状态方程进行流量的计算会引起较 第2 章超声波气体流量测量 大误差。n 4 1 d n l 0 0 型( 或更大直径) 超声波气体流量计经常会在高压的天然气环境下使 用，为了尽可能的拓展流量计的使用范围，减小流量计在高压情况下的误差， 使流量计能在高压下应用，必须对高压情况下的天然气进行进一步的分析。在 高压时，必须考虑气体分子本身占有的容积和分子之间的引力，对理想气体状 态方程进行修正。尤其对于长距离天然气输送管道而言，由于主干线压力高达 几个甚至几十个兆帕，真实气体与理想气体之间的性质差别就会很大，如不考 虑这种差别，就会给流量计的计算带来极大的误差。 在实际使用中，通常用压缩因子z 来校正，以获得实际气体的流量。在规 定的压力和温度范围下，任意质量气体的体积与该气体在相同条件下按理想气 体定律计算的气体体积的比值： z = 吃( 真实) 吃( 理想) f 91 7 、 ( 理想) = r t p ( 2 1 8 ) z ( p ，t ，y ) = p 圪( 真实) ( r t ) ( 21 9 ) 上式中，p 为绝对压力，t 为热力学温度，y 为表征气体的一组参数( 原则 上，y 可以是摩尔全组成，或一组特征的相关物化性质，或者是两者的结合) ， v m 为气体的摩尔体积，r 为摩尔气体常量，z 为压缩因子。 由于压缩因子是气体温度和压力的函数，工程中通常采用根据对比态定律 的通用性图表一一压缩因子图来确定。用压缩因子图来确定压缩因子，虽然简 单实用，但是其误差较大，同时，其适用场合也受到了限制。正是在这种背景 下，上世纪2 0 年代，国外燃气工作者对压缩因子做了大量的研究工作，并相继 提出了多种方法。当前国内外广泛使用的有：a g a 8 号报告、a g a n x 一1 9 和 i s 0 1 2 2 1 3 - 1 9 9 7 三种天然气压缩因子计算方法标准。三种标准都有一定的适用场 合，对于具体的工程实际情况，都会有一定的误差。 本文的压缩因子计算方法的主要来源是i s o1 2 2 1 3 标准，在流量计上同时 实现了通过摩尔组成和物性值两种方法进行压缩因子计算，以下对该两种方法 分别进行阐述和比较。 2 2 2 用摩尔组成计算气体压缩因子 用摩尔组成计算气体的压缩因子主要基于这样的概念：管输天然气的容量 1 2 第2 章超声波气体流量测量 性质可由组成来表征和计算。该方法是基于扩展的维利方程n5 1 ，可写作： z ：1 + 印m 一成1 8c + 量c = ( 6 。一k 一户，陟e x p ( - 巳p ，)z = 1 + 印m 一成c + c = ( 6 。一一户，陟ee p ，) n = 1 3n = 1 3 ( 2 2 0 ) 上式中， 1 3 为第二维利系数，p 。为摩尔密度( 单位体积的摩尔数) ；p ，为 对比密度，屯、c 。、j i 。为常数，( f n 为温度和组成的函数的系数；对比密度p r 与摩尔密度相关，两者的关系由下式给出： 4 2 k 3 p m ( 2 2 1 ) 上式中，k 为混合物体积参数。摩尔密度表示为： p 。- p ( z r z ) ( 2 2 2 ) 上式中，p 为绝对压力，r 为摩尔气体常数，t 为热力学温度。将方程代入 式( 2 2 0 ) ，可得： p = 成尺r l1 + 观一所兰+ 艺q 纯一c 一砖矽谚e x p ( _ 巳彦) = 成尺r l1 + 观一所+ q h c 一砖矽陟e x p ( _ 巳彦) i ( 2 2 3 ) 计算程序的流程如图2 2 所示： 厂至互 二至 图2 2 用摩尔组成计算气体压缩因子算法流程图 为了验证计算机程序，本文对部分