超声发展过程.doc

气体超声流量计的发展过程 气体超声流量计的发展过程引言：应用超声测量技术实现流体的流量测量大约已有40年的历史。主要是由于电子学的飞速发展，在这40年中，在市场上出现过基于不同测量方法的超声流量计，如：声环法（大约在1950年，50年代）连续波频移法（约在1965年，60年代）模拟式传输时间差法（约在1970年出现，即70年代盛行）数字式绝对传输时间法（大约从1980年以后开始，经不断改进，现日渐成熟）一、数字式绝对传输时间法的原理：在管道的两侧，A点和B点装有压电传感器，这一对传感器可发射和接收声脉冲。 式中：L声道长度，C气体中的传声时间（约300450m/s,or10001500ft/s），然而，如有流动，声脉冲从A到B的传输时间tab将减小，而它从B到A的传输时间tba将增大，如下式所示： L tab = (2) C + Vm cos (j) L tba = (3) C - Vm cos (j) 式中，j管轴线与A至B声程之间的夹角；Vm沿声程测得的被测气体的平均流速，当两个声脉冲是同时发射时，声速C对于这两个测量是相等同的，因此C可以被消掉，而得到下式： L 1 1 Vm = ( - ) (4) 2 cos (j) tab tba 特别是当气体组份、温度和/或压力变化时，同时发射两个声脉冲穿过被测介质是极端重要的。在这里数字技术具有优于其他方法的明显优点，即对于声速的快速波动，绝对不敏感。二、如何消除现场复杂流动状态的影响：1现场流动状态影响仪表测量精度的主要因素：（1）速度分布不对称；（2）涡流。 Figure 1. Double Out-of-plane Bend 图2：流动状态的分析 2消除流动状态影响的办法： 对于各种机械式的流量计（如涡轮、腰轮）来说，是利用整流器通过阻断涡流来消除涡流。对于气体超声流量计是利用不同的声道配置，消除流动状态的影响： 3不同声道的优缺点：(1) 1对射声道优点： 结构简单,发射功率不用很高;缺点： 受涡流的影响大,无法单独构成一个测量系统(2) 2对对射声道优点： 结构简单,发射功率不用很高，采用在同一切面的两对探头，消除了涡流的影响;缺点： 使用2对对射声道，才能构成一个测量系统。(3) 1对单反射声道优点： 使用一对反射原理的声道，替代了两对对射声道，才能达到的效果，消除了涡流的影响，1对单反射声道，即可构成一个测量系统;缺点： 要求探头的发射功率大（技术要求高）。(4) 1对双反射声道优点： 使用一对双反射原理的声道，获取了弦的方位的速度分布情况，声程是单反射的1.5倍、是2对对射声道的1.5倍，获得流速的信息更多，利用2对不同旋转方向的双反射声道可以获得涡流的详细信息。缺点： 要求探头的发射功率更大（技术要求高），1对双反射声道会受涡流的影响，使用2对双反射声道，才能构成一个测量系统。当将超声探头安排在管道相对的两侧时，测量结果对涡流是敏感的。当有涡流存在时，流动也包含有与流向垂直的流动分量。这种与流向交叉垂直的流动分量就像轴向的流动分量一样也会产生传输时间差，因此会产生流速测量的误差。如声道夹角为45，1%的垂直交叉的涡流就会产生1%的误差。因此对精确的气体流量测量来说，消除涡流的影响是最重要的，因为涡流的影响是最大的。三、综合分析表声道布置消除的影响因素单声道双声道三声道四声道五声道六声道1对单反射声道2对对射声道2对单反射声道2对双反射声道3对单反射声道1对单反射声道+2对双反射声道4对对射声道3对单反射声道+2对双反射声道6对对设声道轴向速度分布不对称有无有无有有无有（稍强）无弦向速度分布不对称无有无有无有有有有消除涡流的影响有有（稍差）有有有有有（稍差）有有二次分析涡流影响的能力无无无有无有无有无权重因子是否固定 是是自动调整自动调整自动调整自动调整是自动调整是对探头技术的要求高不高高更高高更高不高更高不高减少仪表测量偏差的程度高一般高更高高更高一般更高一般声程长度（相对单声道）1倍1倍2倍3倍3倍4倍2倍6倍3倍整体效果差差稍差一般一般更好好最好更好小结：应该说多声道气体超声流量计是在现场复杂流态中保证高精度测量的有效手段，但其效果取决于声道的结构、声道的配置方式及其分析和消除速度分布不对称、涡流等复杂流态对测量影响的程度，而不是单纯的声道数目的多少。平行声道是数字式绝对传输时间法早期的应用模式，有着一定理论基础（关于高斯数字求积法来确定每一声道的位置以及各声道所具有的权（重）因子值的研究有一定成果），探头技术上容易实现。但是由于它对轴向速度分布不对称、二次分析涡流影响的能力、权重因子是固定等问题缺乏解决手段，用户对此结构的气体超声流量计的实际使用效果感到不满（详见文章），因此制造厂家为谋求更高精度的仪表，发明了三声道、五声道和六声道的新结构，在轴向速度分布不对称、消除涡流的影响、二次分析涡流影响的能力、权重因子自动调整方面进行了改进，大大提高了仪表在现场的使用精度，确保现场测量的准确性。附1仪表误差：由于仪表的原理即是基于非常精密的时间测量，所以很明显，仪表中任何的测时误差都会引起流速测量的误差。测时误差dt与引起的流速误差dv之间的相互关系是一个线性函数，它与管道直径有关，可得出下式： C2tan(f) dV = dt (11) 4D通过利用宽频带压电陶瓷和高速数字信号处理技术，使得所形成的测时误差可作得小于10ns，甚至在声发射角j=60的情况下，它也会引起很小的测量误差，测速误差作为管径D的函数，可以用下表表示：D(mm)DD(英寸)dv(mm/s)dv(inch/s)1004(DN100mm)47.00.31255(DN125mm)55.00.225010(DN250mm)103.00.150020(DN500mm)201.50.06100040(DN1000mm)400.70.03160064(DN1600mm)640.40.016表2：测速误差是管道直径D的函数从上表可清楚看出：目前超声流量计的主要应用场合是在大管径管道。然而高新技术也在推进其管径下限边界值下移，对较小管径此法同样适用。附 2 传统方法的问题：使用传统方法时，流量计中装备着4个彼此平行的超声声道，并且利用高斯数字求积法来确定每一声道的位置以及各声道所具有的权（重）因子值。此法的明显的缺点是由于其作为基础前提的假设和高斯面积求积积分法的限制，如： 假定流动的速度分布是完全地轴对称的； 关于雷诺数的附加信息一点也不利用； 由于对每个声道都采用固定不变的权重因子，所以仅对未被干扰的流动的速度分布剖面，其权重因子值才是