超声波气体流量计基本原理介绍

超声波气体流量计基本原理介绍
超声波流量计一般可分为两大类：传播时间式超声波流量计和多普勒超声波流量计;在含有悬浮粒子的流动流体中,可以利用声学多普勒效应测量多普勒频移来确定媒质流速v,这种方法称为超声波多普勒法;
因为目前市场上的超声气体流量计产品都是传播时间式超声波流量计,所以下文将重点阐述传播时间式超声波流量计的原理;当超声波在流动的媒质中传播时,相对于固定坐标系统,超声波速度与在静止媒质中的传播速度有所不同,其变化值与媒质流速有关;因此根据超声波速度的变化量可以求出媒质的流速,传播时间式超声波流量计就是根据这一原理设计而成的;超声波流量计由两大部分组成：测量变换器部分和电子电路部分;
测量变换器又称为换能器,包括超声波发射器、接收器、声楔以及相应的机械连接组件等;
电子电路包括超声波的发射、接收电路,信号处理电路,流量数据指示或输出电路等;
超声波传播时间法测量流量的原理
时差法是通过测量超声波脉冲顺流和逆流的传播时间差来得到媒质流速的一种方法;参看图1-1,在管道两侧分别装置有两个收发通用型超声波换能器R和T,管道中的媒质以速度u向前流动;
管道内流速断面和超声射线的轨迹
图中的两个换能器在发射、接收状态交替工作,当T 发射R 接收时称为顺流发射状态,反之,R 发射T 接收时称为逆流发射状态;设顺流发射时超声脉冲的传播时间为1t ,而逆流发射时超声脉冲的传播时间为2t ,则有
⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫+-=++=τθθτθθcos sin /cos sin /2221u c D t u c D t 1-1
式中,u 为管道中媒质流速,2c 为超声波在静止媒质中的声速,e c l ττ+=1
12；这里1l 为声楔O-P 或B-C 之长度,1c 为超声波在管壁中的声速,1
1c l 为超声脉冲通过声楔的时间,e τ为电路延迟时间;
考虑到一般情况下22c >>2u ,根据1-1式可以得到流速的计算公式：
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=1222
112sin sin 1t t D c D u θθτ 1-2
根据1－2式可以得出管道内流体中的声速的计算公式：
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=
12112sin /t t D C θ 1－3 因为声速和流体的密度成线性关系,所以根据式1-3可以得出流体的质量流量;
直圆管段内流体的特性由流体的雷诺数决定,这是个无纲数dimensionless,由流体的流速,管道直径,流体的密度和动态粘度通过计算得出;通常情况下,被测流体可以分为湍流turbulent 和层流laminar 两种管流状况,当流速较高或管壁粘性较小时,流体的质点受惯性力作用较大,质点间相互混杂呈杂乱无章不规则的流动称湍流；流速较低或管壁粘性较大时,流体的粘性所造成的摩擦力作用较大,流体流动的状态是平滑的层状流动,各流层的质点互不混杂且层次分明,这种流动称为层流;湍流状态的流速以管道轴线为中心呈对数曲线对称分布,而层流状态下流速呈抛物线曲线对称分布;一般情况下,当雷诺数Re ≥2300时,可以认为已经达到湍流而雷诺数较小时小于2300一般为层流;但这种流场特性会因为管线中存在弯管而扰乱,通常情况下这种扰乱可以描述成在流体的管道轴向流速上叠加了一个和流向成垂直正交关系的称为涡流的流速分量,涡流的强度取决于流体由于类似弯管的作用而产生的扰乱的强度;这种涡流无疑是对超声流量计的精度产生影响的,从机械安装的角度考虑,可以通过在流量计前加装足够长的直管道解决;而对于流量计设计本身,可以通过多通道测量的方式,布置交叉的声道或者采用反射型的声道来消除涡流的影响;
使用传播时间法测量流量的技术要点
误差
任何测量都存在误差,传播时间式超声波流量计的测量方法,其测量误差大致可以分为以下几种：
1. 被测介质温度或者浓度的变化引起声速2c 值的相应变化,声速的变化产生的流速测量误差称为纯温度或纯浓度误差;
2. 双通道参数的不对称,包括双通道换能器参数如机械尺寸、电气特性等的不对称,被测介质流动状况的不一致以及电子电路的不对称;这些因素引起的测量误差称为附加温度误差;
3. 流速断面上实际流速分布与理想流速分布之间的不一致所引起的测量误差称为流速断面误差;
纯温度和纯浓度误差是超声波流量计的主要固有误差;如前所述,对于时差法,温度和浓度变化引起的流速测量相对误差为声速相对变化的两倍;
附加温度误差一般分为两类,一类是由换能器参数不对称、电路零点漂移等引起的随机误差,另一类是由电路布线和器件不对称、流速较大时引起声束偏移在顺流和逆流方向的不一致等因素引起的系统误差,前一种可以通过采用单通道和统计平均的方法减小,后一种则需要与后面提到的第三类流速断面误差一起通过修正系数k 实测标定的方法统一消除;
流量计灵敏度的定义是当流体流速变化单位量时,各种方法中所直接测量的
特征量的变化值特征量就是指时差法中的t ∆,灵敏度分别为u t
∆;
流量计的测量范围就是流速测量的上限和下限的起止范围;原则上讲,流速的测量范围是从零开始并且没有上限,但是,在实际应用中流量测量范围会受到这样那样的条件的限制,比如声束的漂移以及每种方法的特征量所能达到的最小测量值等等;
在时差法中,流速u 是特征量t ∆的单值函数,因此测量范围理论上没有上限,但是测量范围的下限却受到了限制,这主要是对时差的测量决定的;如果一个系统可以达到微秒的绝对精度,如果要保证1％的测量精度,测时下限就是1微秒;当超声波束在管道中反射后由接收换能器接收,按照式1－2取︒=45θ,D ＝50毫米,2c =340米·秒1-,则流速测量的下限是u=0.578米·秒1
-;如果在此基础上,需要进一步提高系统的测量精度,那么可以采用时间扩展法,也就是使超声波顺流和逆流分别发射多次如N 次,再经过统计平均,测量相对精度相应提高N 倍;同时这种方法还可以使流速测量下限扩展到N 1
;从式1－2中可以看出灵敏度与直径D 成正比,与媒质中声速2c 平方成反比;在管道直径增大和测量声速较小的流体时,灵敏度会提高;
噪声
通常情况下,管道上存在振动,这些振动由泵、减压阀等引起,这些振动发射超声噪声,噪声频谱可以延伸至超声换能器的工作频率范围内;噪声的引入可以是流体感应噪声,或者设备感应噪声,诸如由减压阀所发出的噪声;后一种类型的干扰噪声更为严重,特别是当这样的减压阀工作于高压差的时候,例如高于10或20bar,在这些条件下,所耗散的能量可以相当大,即使只有非常少的部分被转换成为声能,但还是可能发出非常大的噪声;由于信号和噪声频率范围一致,在信号被噪声淹没的情况下,传播时间就不能被有效检出,流量计可能不能工作;通常的解决办法一是在流量计的安装位置上考虑,通过加长管线的方法使流量计尽量远离噪声源,二是应用数字信号处理技术,比如用一些滤波和相关算法;提高信噪比是研究如何提高流量计性能的主要内容;
工业标准和工业应用
尽管目前发布有AGA N09号报告,ISO发布有TR12765技术文件,我国也制定了相应的GB/T18604标准,但从工业化、标准化应用角度来看,超声流量计要获得工业上的广泛应用,还应当解决以下四个方面问题;
●针对工业流场上游侧不同类型阻力件产生的影响,合理确定不同情
况下流量计上游直管段长度;
●操作压力、温度及气体组分的变化对流量测量影响及校正办法;
●不同雷诺数速度分布剖面修正系数精确确定和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;
另外,关于超声流量计标定还没有达到共识;从超声流量计的结构和测量原理来看,这种速度型流量仪表可以实现“干标”;这是因为利用目前的测量技术及手段,流量计腔体几何尺寸D、声道长度L和传感器间的轴向长度X是可以获得准确测定的;如果电子电路和传感器的性能获得准确测量,传感器组件的电气特性稳定并具有可互换性,那么“干标”就可获得实际的应用;然而,目前仍没有足够技术措施和理论来证明这一点;当前,在北美、南美、欧洲,供需双方都要求用于贸易计量的超声流量计有足够的测量精度,基于这一点,可信赖的办法还是要标定;。