超聲發(fā)展過程.doc

氣體超聲流量計(jì)的發(fā)展過程 氣體超聲流量計(jì)的發(fā)展過程引言：應(yīng)用超聲測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)流體的流量測量大約已有40年的歷史。主要是由于電子學(xué)的飛速發(fā)展，在這40年中，在市場上出現(xiàn)過基于不同測量方法的超聲流量計(jì)，如：聲環(huán)法（大約在1950年，50年代）連續(xù)波頻移法（約在1965年，60年代）模擬式傳輸時(shí)間差法（約在1970年出現(xiàn)，即70年代盛行）數(shù)字式絕對(duì)傳輸時(shí)間法（大約從1980年以后開始，經(jīng)不斷改進(jìn)，現(xiàn)日漸成熟）一、數(shù)字式絕對(duì)傳輸時(shí)間法的原理：在管道的兩側(cè)，A點(diǎn)和B點(diǎn)裝有壓電傳感器，這一對(duì)傳感器可發(fā)射和接收聲脈沖。 式中：L聲道長度，C氣體中的傳聲時(shí)間（約300450m/s,or10001500ft/s），然而，如有流動(dòng)，聲脈沖從A到B的傳輸時(shí)間tab將減小，而它從B到A的傳輸時(shí)間tba將增大，如下式所示： L tab = (2) C + Vm cos (j) L tba = (3) C - Vm cos (j) 式中，j管軸線與A至B聲程之間的夾角；Vm沿聲程測得的被測氣體的平均流速，當(dāng)兩個(gè)聲脈沖是同時(shí)發(fā)射時(shí)，聲速C對(duì)于這兩個(gè)測量是相等同的，因此C可以被消掉，而得到下式： L 1 1 Vm = ( - ) (4) 2 cos (j) tab tba 特別是當(dāng)氣體組份、溫度和/或壓力變化時(shí)，同時(shí)發(fā)射兩個(gè)聲脈沖穿過被測介質(zhì)是極端重要的。在這里數(shù)字技術(shù)具有優(yōu)于其他方法的明顯優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)于聲速的快速波動(dòng)，絕對(duì)不敏感。二、如何消除現(xiàn)場復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)的影響：1現(xiàn)場流動(dòng)狀態(tài)影響儀表測量精度的主要因素：（1）速度分布不對(duì)稱；（2）渦流。 Figure 1. Double Out-of-plane Bend 圖2：流動(dòng)狀態(tài)的分析 2消除流動(dòng)狀態(tài)影響的辦法： 對(duì)于各種機(jī)械式的流量計(jì)（如渦輪、腰輪）來說，是利用整流器通過阻斷渦流來消除渦流。對(duì)于氣體超聲流量計(jì)是利用不同的聲道配置，消除流動(dòng)狀態(tài)的影響： 3不同聲道的優(yōu)缺點(diǎn)：(1) 1對(duì)射聲道優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單,發(fā)射功率不用很高;缺點(diǎn)： 受渦流的影響大,無法單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)測量系統(tǒng)(2) 2對(duì)對(duì)射聲道優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單,發(fā)射功率不用很高，采用在同一切面的兩對(duì)探頭，消除了渦流的影響;缺點(diǎn)： 使用2對(duì)對(duì)射聲道，才能構(gòu)成一個(gè)測量系統(tǒng)。(3) 1對(duì)單反射聲道優(yōu)點(diǎn)： 使用一對(duì)反射原理的聲道，替代了兩對(duì)對(duì)射聲道，才能達(dá)到的效果，消除了渦流的影響，1對(duì)單反射聲道，即可構(gòu)成一個(gè)測量系統(tǒng);缺點(diǎn)： 要求探頭的發(fā)射功率大（技術(shù)要求高）。(4) 1對(duì)雙反射聲道優(yōu)點(diǎn)： 使用一對(duì)雙反射原理的聲道，獲取了弦的方位的速度分布情況，聲程是單反射的1.5倍、是2對(duì)對(duì)射聲道的1.5倍，獲得流速的信息更多，利用2對(duì)不同旋轉(zhuǎn)方向的雙反射聲道可以獲得渦流的詳細(xì)信息。缺點(diǎn)： 要求探頭的發(fā)射功率更大（技術(shù)要求高），1對(duì)雙反射聲道會(huì)受渦流的影響，使用2對(duì)雙反射聲道，才能構(gòu)成一個(gè)測量系統(tǒng)。當(dāng)將超聲探頭安排在管道相對(duì)的兩側(cè)時(shí)，測量結(jié)果對(duì)渦流是敏感的。當(dāng)有渦流存在時(shí)，流動(dòng)也包含有與流向垂直的流動(dòng)分量。這種與流向交叉垂直的流動(dòng)分量就像軸向的流動(dòng)分量一樣也會(huì)產(chǎn)生傳輸時(shí)間差，因此會(huì)產(chǎn)生流速測量的誤差。如聲道夾角為45，1%的垂直交叉的渦流就會(huì)產(chǎn)生1%的誤差。因此對(duì)精確的氣體流量測量來說，消除渦流的影響是最重要的，因?yàn)闇u流的影響是最大的。三、綜合分析表聲道布置消除的影響因素單聲道雙聲道三聲道四聲道五聲道六聲道1對(duì)單反射聲道2對(duì)對(duì)射聲道2對(duì)單反射聲道2對(duì)雙反射聲道3對(duì)單反射聲道1對(duì)單反射聲道+2對(duì)雙反射聲道4對(duì)對(duì)射聲道3對(duì)單反射聲道+2對(duì)雙反射聲道6對(duì)對(duì)設(shè)聲道軸向速度分布不對(duì)稱有無有無有有無有（稍強(qiáng)）無弦向速度分布不對(duì)稱無有無有無有有有有消除渦流的影響有有（稍差）有有有有有（稍差）有有二次分析渦流影響的能力無無無有無有無有無權(quán)重因子是否固定 是是自動(dòng)調(diào)整自動(dòng)調(diào)整自動(dòng)調(diào)整自動(dòng)調(diào)整是自動(dòng)調(diào)整是對(duì)探頭技術(shù)的要求高不高高更高高更高不高更高不高減少儀表測量偏差的程度高一般高更高高更高一般更高一般聲程長度（相對(duì)單聲道）1倍1倍2倍3倍3倍4倍2倍6倍3倍整體效果差差稍差一般一般更好好最好更好小結(jié)：應(yīng)該說多聲道氣體超聲流量計(jì)是在現(xiàn)場復(fù)雜流態(tài)中保證高精度測量的有效手段，但其效果取決于聲道的結(jié)構(gòu)、聲道的配置方式及其分析和消除速度分布不對(duì)稱、渦流等復(fù)雜流態(tài)對(duì)測量影響的程度，而不是單純的聲道數(shù)目的多少。平行聲道是數(shù)字式絕對(duì)傳輸時(shí)間法早期的應(yīng)用模式，有著一定理論基礎(chǔ)（關(guān)于高斯數(shù)字求積法來確定每一聲道的位置以及各聲道所具有的權(quán)（重）因子值的研究有一定成果），探頭技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。但是由于它對(duì)軸向速度分布不對(duì)稱、二次分析渦流影響的能力、權(quán)重因子是固定等問題缺乏解決手段，用戶對(duì)此結(jié)構(gòu)的氣體超聲流量計(jì)的實(shí)際使用效果感到不滿（詳見文章），因此制造廠家為謀求更高精度的儀表，發(fā)明了三聲道、五聲道和六聲道的新結(jié)構(gòu)，在軸向速度分布不對(duì)稱、消除渦流的影響、二次分析渦流影響的能力、權(quán)重因子自動(dòng)調(diào)整方面進(jìn)行了改進(jìn)，大大提高了儀表在現(xiàn)場的使用精度，確?，F(xiàn)場測量的準(zhǔn)確性。附1儀表誤差：由于儀表的原理即是基于非常精密的時(shí)間測量，所以很明顯，儀表中任何的測時(shí)誤差都會(huì)引起流速測量的誤差。測時(shí)誤差dt與引起的流速誤差dv之間的相互關(guān)系是一個(gè)線性函數(shù)，它與管道直徑有關(guān)，可得出下式： C2tan(f) dV = dt (11) 4D通過利用寬頻帶壓電陶瓷和高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，使得所形成的測時(shí)誤差可作得小于10ns，甚至在聲發(fā)射角j=60的情況下，它也會(huì)引起很小的測量誤差，測速誤差作為管徑D的函數(shù)，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：測速誤差是管道直徑D的函數(shù)從上表可清楚看出：目前超聲流量計(jì)的主要應(yīng)用場合是在大管徑管道。然而高新技術(shù)也在推進(jìn)其管徑下限邊界值下移，對(duì)較小管徑此法同樣適用。附 2 傳統(tǒng)方法的問題：使用傳統(tǒng)方法時(shí)，流量計(jì)中裝備著4個(gè)彼此平行的超聲聲道，并且利用高斯數(shù)字求積法來確定每一聲道的位置以及各聲道所具有的權(quán)（重）因子值。此法的明顯的缺點(diǎn)是由于其作為基礎(chǔ)前提的假設(shè)和高斯面積求積積分法的限制，如： 假定流動(dòng)的速度分布是完全地軸對(duì)稱的； 關(guān)于雷諾數(shù)的附加信息一點(diǎn)也不利用； 由于對(duì)每個(gè)聲道都采用固定不變的權(quán)重因子，所以僅對(duì)未被干擾的流動(dòng)的速度分布剖面，其權(quán)重因子值才是