CN104390680B - 时差式超声波热量表流量误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时差式超声波热量表流量误差修正方法，首先在全量程流量范围内选定三个基本流量点，基本流量点分别分布于三个区间内，设置M度水温下全量程流量范围的标准补偿修正曲线和全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线；再对上述流量点在M度水温下进行校准修正，保存其未修正前的流量值、误差修正补偿系数和校准时的水温；然后根据基本流量点校准时的误差修正补偿系数和水温，将上述两条标准补偿修正曲线按照区间分段向上或向下移动，得到该超声波热量表的真实补偿修正曲线；再根据两条真实补偿修正曲线得到真实的误差修正补偿系数。本发明能保证全量程水温和全量程流量范围内流量误差的准确性，提高了生产效率。

Description

时差式超声波热量表流量误差修正方法

技术领域

本发明涉及一种时差式超声波热量表流量误差修正方法。

背景技术

时差式超声波流量测量是超声波热量表进行流量测量的常用方法，其原理是应用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法，但实际应用中，流量受不同因素的影响，如：声道长度、超声波换能器的安装角度、管段半径的测量精度，信号畸变或丢失，超声波时间差的测量准确度、被测液体的温度变化等，都会对流量的测量引入误差。为了解决这种问题，现有大多数的方法是引入修正补偿系数，通过此修正补偿系数对流量进行校准修正补偿，从而减小计量误差。但由于在全量程流量范围内，流量修正补偿系数是非线性分布的，如果要保证全量程流量范围内的流量误差的准确性，需要对很多个流量点进行校准，得到一条较为准确的修正补偿曲线，但这种方法在生产时，由于要校准修正的流量点较多，会导致生产效率非常低。因此大多数的厂家为了提供生产效率，在实际生产过程中减少了流量点的校准，导致修正补偿曲线与实际的差别很大，不能很好的保证流量计量误差在全量程的流量范围内的准确性，同时由于热量表要求的水温范围宽，相同的流量点在不同的水温下误差也不一样，单条的修正补偿曲线已无法保证在全量程水温范围内各个流量点的误差，导致流量点在不同的水温下流量计量误差不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速有效的时差式超声波热量表流量测量误差修正的方法。

本发明提供的这种时差式超声波热量表流量误差修正方法，包括如下步骤：

步骤一，采用分区间修正的方式：将全量程流量范围分为三个区间，并在全量程流量范围内选定三个基本流量点，基本流量点分别分布于三个区间内；

同时设置两条标准补偿修正曲线：一条为M度水温下全量程流量范围的标准补偿修正曲线，另一条为全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线；

步骤二，对超声波热量表的三个基本流量点在M度水温下进行校准修正，并保存基本流量点未修正前的流量值、误差修正补偿系数和校准时的水温；

步骤三，根据基本流量点校准时的误差修正补偿系数和水温，将两条标准补偿修正曲线按照区间分段向上或向下移动，得到该超声波热量表的真实补偿修正曲线；

步骤四，根据两条真实补偿修正曲线得到真实的误差修正补偿系数，并由此获取超声波热量表的流量。

所述步骤一包括：

定义三个基本流量点小流量Q_min、中流量Q_0.1qp、常用流量Q_qp；定义全量程流量范围为[0，Q_max]，其中Q_max为最大流量，且0＜Q_min＜Q_0.1qp＜Q_qp＜Q_max；定义全量程水温范围为[T_min，T_max]，T_min为最低水温，T_max为最高水温；

定义程序内置的全量程流量范围分区数组为D[2]＝{Q_{d_1}，Q_{d_2}}，其中：0＜Q_min＜Q_{d_1}＜Q_0.1qp＜Q_{d_2}＜Q_qp＜Q_max，共3个区间；第1区间范围为[0，Q_{d_1}]，其中：0为下限值，Q_{d_1}为上限值；第2区间范围为[Q_{d_1}，Q_{d_2}]，其中：Q_{d_1}为下限值，Q_{d_2}为上限值，第3区间范围为[Q_{d_2}，Q_max]，其中：Q_{d_2}为下限值，Q_max为上限值；各区间对应的下限值不在此区间范围内，而对应的上限值在此区间范围内，其中小流量Q_min在第1区间，中流量Q_0.1qp在第2区间，常用流量Q_qp在第3区间；

定义程序内置的M度水温下的全量程流量范围内的标准补偿修正曲线二维数组A[m][2]＝{{Q_{a_1}，K_{a_1}},{Q_{a_2}，K_{a_2}},……{Q_{a_m}，K_{a_m}}，其中m为此标准补偿修正曲线上分布的流量点的数量，Q_{a_m}为某流量点的未经过修正的原始流量，且0＜Q_{a_1}＜Q_{a_2}＜……＜Q_{a_m}＜Q_max；K_{a_m}为某流量点的需要进行修正的系数；

定义程序内置的全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线二维数组B[n][4]＝{{T_{b_1}，K_{b_1_1}，K_{b_2_1}，K_{b_3_1}},{T_{b_2}，K_{b_1_2}，K_{b_2_2}，K_{b_3_2}},…,{T_{b_n}，K_{b_1_n}，K_{b_2_n}，K_{b_3_n}}，其中n为此标准补偿修正曲线上分布的水温点的数量，T_{b_n}为对应的水温，且T_min＜T_{b_1}＜T_{b_2}＜……＜T_{b_n}＜T_max；K_{b_1_n}为基本流量点Q_min需要进行修正的系数，K_{b_2_n}为基本流量点Q_0.1qp需要进行修正的系数，K_{b_3_n}为基本流量点Q_qp需要进行修正的系数；

定义超声波热量表三个基本流量点校准时的校准参数二维数组C[3][3]＝{{Q_{c_min}，K_{c_min}，T_{c_min}},{Q_{c_0.1qp}，K_{c_0.1qp}，T_{c_0.1qp}},{Q_{c_qp}，K_{c_qp}，T_{c_qp}}}，其中：Q_{c_min}为基本流量点小流量Q_min校准时未经过修正的原始流量，K_{c_min}分别为基本流量点小流量Q_min校准时需要进行修正的系数，T_{c_min}为基本流量点小流量Q_min校准时需要进行修正的水温；Q_{c_0.1qp}为基本流量点中流量Q_0.1qp校准时未经过修正的原始流量，K_{c_0.1qp}为基本流量点中流量Q_0.1qp校准时需要进行修正的系数，T_{c_0.1qp}为基本流量点中流量Q_0.1qp校准时需要进行修正的水温；Q_{c_qp}为基本流量点常用流量点Q_qp校准时未经过修正的原始流量，K_{c_qp}为基本流量点常用流量点Q_qp校准时需要进行修正的系数，T_{c_qp}分别为基本流量点常用流量点Q_qp校准时需要进行修正的水温。

所述步骤二包括如下步骤：

步骤1，取出本次检测得到的待修正的原始流量Q_原和本次检测的水温T_测；

步骤2，根据所述全量程流量范围分区数组D[2]确认Q_原对应的分区编号p；

步骤3，取出三个基本流量点的校准参数二维数组C[3][3]确认p值区间范围内的基本流量点的原始流量Q_基原，修正系数K_基原及水温T_基原。

所述步骤三包括：

根据所述M度水温下的全量程流量范围内标准补偿修正曲线二维数组A[m][2]得到该Q_原对应的数组编号i，根据此编号i得到对应的修正系数K_{a_i}；

根据所述M度水温下的全量程流量范围内标准补偿修正曲线二维数组A[m][2]得到该Q_基原对应的数组编号ii，根据此编号ii得到对应的修正系数K_{a_ii}；

根据所述全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线二维数组B[n][4]得到该T_测对应的数组编号j，同时根据p值确认区间范围内的基本流量点得到对应的修正系数K_{b_p_j}；

根据所述全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线二维数组B[n][4]得到该T_基原对应的数组编号jj，同时根据p值确认区间范围内的基本流量点得到对应的修正系数K_{b_p_jj}。

全量程水温和全量程流量范围内的任意水温下的任意流量点的误差修正补偿系数K为：K＝(K_{a_i}×K_{b_p_j}×K_基原)/(K_{a_ii}×K_{b_p_jj})；全量程水温和全量程流量范围内的任意水温下的任意流量点的修正后的流量Q_测为：Q_测＝K×Q_原。

本发明在生产时最少只需要对三个基本流量点在某个水温下进行校准，就能保证全量程水温和全量程流量范围内流量误差的准确性，因而大大地提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明的超声波流体流量测量示意图。

图2是本发明的处理流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要适应于时差式超声波热量表的流量测量。时差式超声波热量表的流量测量是指：应用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量。

时差式流量测量方法首先按下列公式获取相关时间数据。

式中，L₁为声波在液体中两反射面之间的传播的长度；L₂为声波在液体中反射面与换能器之间的传播的长度；D为管道内径；C为静止时声波在液体中传播的速度；V为管内流体沿管轴向的平均流速；T₁为声束在正方向上的传播时间；T₂为声束在逆方向上的传播时间；△T为声束在正逆两个方向上的传播时间差。

获取上述时间数据后，再如下步骤计算出瞬时流量q。

实际环境中，因C>1400m/s，V<10m/s；故C²>>V²，V值可忽略不计，则由式(3)得

管道内的瞬时流量q为：

由式(4)和式(5)式可得：

其中，D、C和L₂是常数；C值可通过查表法得到；△T是通过测量得到；本发明主要是得到精确的K值，即修正补偿系数。

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

本发明以DN20口径的超声波热量表为例，首先要进行如下定义或设定。

1、三个基本流量点的设定

三个基本流量点为热量表行业标准《CJ128-2007》中规定的出厂检测要求的三个流量点，即小流量Q_min，中流量Q_0.1qp，常用流量Q_qp，其中0＜Q_min＜Q_0.1qp＜Q_qp＜Q_max。

2、全量程流量范围和全量程水温定义

定义全量程流量范围表示超声波热量表为[0，Q_max]，其中Q_max为最大流量，且0＜Q_min＜Q_0.1qp＜Q_qp＜Q_max。定义全量程水温范围为[T_min，T_max]，T_min为最低水温，T_max为最高水温，且0＜T_min＜50＜T_max。

3、全量程流量范围分区定义

定义程序内置的全量程流量范围分区数组为D[2]＝{Q_{d_1}，Q_{d_2}}，其中：0＜Q_min＜Q_{d_1}＜Q_0.1qp＜Q_{d_2}＜Q_qp＜Q_max，共3个区间，第1区间范围为[0，Q_{d_1}]，其中：0为下限值，Q_{d_1}为上限值，第2区间范围为[Q_{d_1}，Q_{d_2}]，其中：Q_{d_1}为下限值，Q_{d_2}为上限值，第3区间范围为[Q_{d_2}，Q_max]，其中：Q_{d_2}为下限值，Q_max为上限值，且各区间对应的下限值不在此区间范围内，而对应的上限值在此区间范围内，其中小流量Q_min在第1区间，中流量Q_0.1qp在第2区间，常用流量Q_qp在第3区间。

4、M度水温下全量程流量范围内的标准补偿修正曲线的定义

按照热量表行业标准《CJ128-2007》中规定的出厂检测要求需要在50度水温下进行检测，故设定M＝50。定义程序内置的50度水温下的全量程流量范围内的标准补偿修正曲线以二维数组表示：A[m][2]＝{{Q_{a_1}，K_{a_1}},{Q_{a_2}，K_{a_2}},……{Q_{a_m}，K_{a_m}}，其中m为此标准补偿修正曲线上分布的流量点的数量，Q_{a_m}和K_{a_m}分别为某流量点的未经过修正的原始流量和需要进行修正的系数，其中：0＜Q_{a_1}＜Q_{a_2}＜……＜Q_{a_m}＜Q_max；

5、全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线的定义

定义程序内置的全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线为二维数组表示：B[n][4]＝{{T_{b_1}，K_{b_1_1}，K_{b_2_1}，K_{b_3_1}},{T_{b_2}，K_{b_1_2}，K_{b_2_2}，K_{b_3_2}},……{T_{b_n}，K_{b_1_n}，K_{b_2_n}，K_{b_3_n}},其中n为此标准补偿修正曲线上分布的水温点的数量，T_{b_n}为对应的水温，K_{b_1_n}，K_{b_2_n}，K_{b_3_n}分别为Q_min、Q_0.1qp、Q_qp三个基本流量点需要进行修正的系数，其中：T_min＜T_{b_1}＜T_{b_2}＜……＜T_{b_n}＜T_max；

6、三个基本流量点校准参数定义

定义超声波热量表三个基本流量点校准参数二维数组为C[3][3]＝{{Q_{c_min}，K_{c_min}，T_{c_min}},{Q_{c_0.1qp}，K_{c_0.1qp}，T_{c_0.1qp}},{Q_{c_qp}，K_{c_qp}，T_{c_qp}}}，其中：Q_{c_min}，K_{c_min}，T_{c_min}分别为基本流量点小流量Q_min校准时未经过修正的原始流量、需要进行修正的系数和水温，Q_{c_0.1qp}，K_{c_0.1qp}，T_{c_0.1qp}分别为基本流量点中流量Q_0.1qp校准时未经过修正的原始流量、需要进行修正的系数和水温，Q_{c_qp}，K_{c_qp}，T_{c_qp}分别为基本流量点常用流量点Q_qp校准时未经过修正的原始流量、需要进行修正的系数和水温。

如图2所示，本发明的处理流程详述如下：

设定要进行流量误差修正的流量点未修正前的流量为Q_原，要修正时水温为T_测，通过本发明得到的该流量点的修正系数为K，修正后的流量为Q_测。设定分区编号为p，如果p＝1表示第1区间，p＝2表示第2区间，p＝3表示第3区间。设定p值区间范围内的基本流量点的原始流量为Q_基原，修正系数为K_基原，水温为T_基原。

(1)取出本次检测得到的待修正的原始流量Q_原和本次检测的水温T_测。

(2)读取程序内置的全量程流量范围的分区数组D[2]，根据Q_原判断待修正流量点处于哪个区间，获取分区号p。如果Q_原大于0且小于等于Q_{d_1}，则p＝1，表示待修正流量点处于第1区间。如果Q_原大于Q_{d_1}且小于等于Q_{d_2}，则p＝2，表示待修正流量点处于第2区间。如果Q_原大于Q_{d_2}且小于等于Q_max，则p＝3，表示待修正流量点处于第3区间。

(3)根据分区号，找到该分区内对应的基本流量点，取出内存中的三个基本流量点的校准参数二维数组C[3][3]中此基本流量点对应的校准参数。

若p＝1，则基本流量点为小流量Q_min，故Q_基原＝Q_{c_min}，K_基原＝K_{c_min}，T_基原＝T_{c_mi}；若p＝2，则基本流量点为中流量Q_0.1qp，故Q_基原＝Q_{c_0.1qp}，K_基原＝K_{c_0.1qp}，T_基原＝T_{c_0.1qp}；若p＝3，则基本流量点为常用流量Q_qp，故Q_基原＝Q_{c_qp}，K_基原＝K_{c_qp}，T_基原＝T_{c_qp}。

(4)读取程序内置的50度水温下的全量程流量范围内标准补偿修正曲线二维数组A[m][2]，根据A[m][2]得到Q_原对应的数组编号，如果Q_原大于Q_{a_i-1}且小于等于Q_{a_i}，则此编号为i，再根据此编号i，得到对应的修正系数K_{a_i}。

(5)读取程序内置的50度水温下的全量程流量范围内标准补偿修正曲线二维数组A[m][2]，根据A[m][2]得到Q_基原对应的数组编号，如果Q_基原大于Q_{a_ii-1}且小于等于Q_{a_ii}，则此编号为ii，根据此编号ii，得到对应的修正系数K_{a_ii}。

(6)读取程序内置的全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线二维数组B[n][4]，根据B[n][4]得到该T_测对应的数组编号，如果T_测大于T_{b_j-1}且小于等于T_{b_j}，则此编号为j，再根据p值确认区间范围内的基本流量点，得到对应的修正系数K_{b_p_j}，如果p＝1，则K_{b_p_j＝}K_{b_1_j}，如果p＝2，则K_{b_p_j＝}K_{b_2_j}，如果p＝3，则K_{b_p_j＝}K_{b_3_j}。

(7)读取程序内置的全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线二维数组B[n][4]，根据B[n][4]得到该T_基原对应的数组编号，若T_基原大于T_{b_jj-1}且小于等于T_{b_jj}，则此编号为jj，再根据p值确认区间范围内的基本流量点，得到对应的修正系数K_{b_p_jj}，如果p＝1，则K_{b_p_jj＝}K_{b_1_jj}，如果p＝2，则K_{b_p_jj＝}K_{b_2_jj}，如果p＝3，则K_{b_p_jj＝}K_{b_3_jj}。

(8)计算本次检测得到的误差修正补偿系数K为：

K＝(K_{a_i}×K_{b_p_j}×K_基原)/(K_{a_ii}×K_{b_p_jj})；

则本次检测得到修正后的流量为：Q_测＝K×Q_原。

Claims (4)

1.一种时差式超声波热量表流量误差修正方法，包括如下步骤：

步骤一，采用分区间修正的方式：将全量程流量范围分为三个区间，并在全量程流量范围内选定三个基本流量点，基本流量点分别分布于三个区间内；

同时设置两条标准补偿修正曲线：一条为M度水温下全量程流量范围的标准补偿修正曲线，另一条为全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线；

具体的，定义三个基本流量点小流量Q_min、中流量Q_0.1qp、常用流量Q_qp；定义全量程流量范围为[0，Q_max] ，其中Q_max 为最大流量，且0＜Q_min＜Q_0.1qp＜Q_qp＜Q_max；定义全量程水温范围为[T_min，T_max]，T_min为最低水温，T_max为最高水温；

定义程序内置的全量程流量范围分区数组为D[2]={Q_{d_1}，Q_{d_2}}，其中： 0＜Q_min＜Q_{d_1}＜Q_0.1qp＜Q_{d_2}＜Q_qp＜Q_max ，共3个区间；第1区间范围为[0，Q_{d_1}]，其中：0为下限值，Q_{d_1}为上限值；第2区间范围为[Q_{d_1}，Q_{d_2}]，其中：Q_{d_1}为下限值，Q_{d_2}为上限值，第3区间范围为[Q_{d_2}，Q_max]，其中：Q_{d_2}为下限值，Q_max为上限值；各区间对应的下限值不在此区间范围内，而对应的上限值在此区间范围内，其中小流量Q_min在第1区间，中流量Q_0.1qp在第2区间，常用流量Q_qp在第3区间；

定义程序内置的M度水温下的全量程流量范围内的标准补偿修正曲线二维数组A[m][2]={{Q_{a_1}，K_{a_1}},{Q_{a_2}，K_{a_2}},……{Q_{a_m}，K_{a_m}}，其中m为此标准补偿修正曲线上分布的流量点的数量，Q_{a_m}为某流量点的未经过修正的原始流量，且0＜Q_{a_1}＜Q_{a_2}＜……＜Q_{a_m}＜Q_max；K_{a_ m}为某流量点的需要进行修正的系数；

定义程序内置的全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线二维数组B[n][4]={{T_{b_1}，K_{b_1_1}，K_{b_2_1}，K_{b_3_1}},{T_{b_2}，K_{b_1_2}，K_{b_2_2}，K_{b_3_2}},…,{ T_{b_n}，K_{b_1_n}，K_{b_2_n}，K_{b_3_n}}，其中n为此标准补偿修正曲线上分布的水温点的数量，T_{b_n} 为对应的水温，且T_min＜T_{b_1}＜T_{b_2}＜……＜T_{b_n}＜T_max；K_{b_1_n}为基本流量点Q_min需要进行修正的系数，K_{b_2_n}为基本流量点Q_0.1qp需要进行修正的系数，K_{b_3_n}为基本流量点Q_qp需要进行修正的系数；

定义超声波热量表三个基本流量点校准时的校准参数二维数组C[3][3]={{Q_c__min，K_{c_min}，T_{c_min}},{Q_c__0.1qp，K_{c_0.1qp}，T_{c_0.1qp} },{Q_c__qp， K_{c_qp}，T_{c_qp}}}，其中：Q_c__min为基本流量点小流量Q_min校准时未经过修正的原始流量，K_{c_min}分别为基本流量点小流量Q_min校准时需要进行修正的系数，T_{c_min}为基本流量点小流量Q_min校准时需要进行修正的水温；Q_c__0.1qp 为基本流量点中流量Q_0.1qp校准时未经过修正的原始流量， K_{c_0.1qp}为基本流量点中流量Q_0.1qp校准时需要进行修正的系数，T_{c_0.1qp}为基本流量点中流量Q_0.1qp校准时需要进行修正的水温；Q_c__qp为基本流量点常用流量点Q_qp校准时未经过修正的原始流量，K_{c_qp}为基本流量点常用流量点Q_qp校准时需要进行修正的系数，T_{c_qp}分别为基本流量点常用流量点Q_qp校准时需要进行修正的水温；

步骤二，对超声波热量表的三个基本流量点在M度水温下进行校准修正，并保存基本流量点未修正前的流量值、误差修正补偿系数和校准时的水温；

步骤三，根据基本流量点校准时的误差修正补偿系数和水温，将两条标准补偿修正曲线按照区间分段向上或向下移动，得到该超声波热量表的真实补偿修正曲线；

步骤四，根据两条真实补偿修正曲线得到真实的误差修正补偿系数，并由此获取超声波热量表的流量。

2.根据权利要求1所述的时差式超声波热量表流量误差修正方法，其特征在于，所述步骤二包括如下步骤：

步骤1，取出本次检测得到的待修正的原始流量Q_原和本次检测的水温T_测；

步骤2，根据所述全量程流量范围分区数组D[2]确认Q_原对应的分区编号p；

步骤3，取出三个基本流量点的校准参数二维数组C[3][3]确认p值区间范围内的基本流量点的原始流量Q_基原，修正系数K_基原及水温T_基原。

3.根据权利要求2所述的时差式超声波热量表流量误差修正方法，其特征在于，所述步骤三包括：

根据所述M度水温下的全量程流量范围内标准补偿修正曲线二维数组A[m][2]得到该Q_原对应的数组编号i，根据此编号i得到对应的修正系数K_{a_i}；

根据所述M度水温下的全量程流量范围内标准补偿修正曲线二维数组A[m][2]得到该Q_基原对应的数组编号ii，根据此编号ii得到对应的修正系数K_{a_ii}；

根据所述全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线二维数组B[n][4]得到该T_测对应的数组编号j，同时根据p值确认区间范围内的基本流量点得到对应的修正系数K_{b_p_j}；

根据所述全量程水温下不同水温对基本流量点误差的标准补偿修正曲线二维数组B[n][4]得到该T_基原对应的数组编号jj，同时根据p值确认区间范围内的基本流量点得到对应的修正系数K_{b_p_jj}。

4.根据权利要求3所述的时差式超声波热量表流量误差修正方法，其特征在于，全量程水温和全量程流量范围内的任意水温下的任意流量点的误差修正补偿系数K为：K = ( K_{a_i}×K_{b_p_j}×K_基原) / ( K_{a_ii}×K_{b_p_jj})；

全量程水温和全量程流量范围内的任意水温下的任意流量点的修正后的流量Q_测为：Q_测= K×Q_原 。