CN105758474B - 一种提高气体超声流量计测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高气体超声流量计测量精度的方法，包括：给定管道直径，顺流发射点A坐标，初始发射角度，逆流发射点B坐标，初始发射角度，迭代时间步长和最大迭代步数；确定迭代结束边界；基于射线声学理论，利用计算机编程分别对顺流、逆流情况进行射线追踪，得到顺流、逆流射线上的各个追踪点坐标；分别计算超声波实际传播轨迹长度，即实际声程，和各追踪点切线方向与流动方向的夹角，即实际声路角；利用时差法气体超声流量计算修正公式获得流量值。本发明能够使得流量测量更为准确。

Description

一种提高气体超声流量计测量精度的方法

所属技术领域

本发明属于流量测量技术领域，涉及气体超声流量计。

背景技术

超声流量计作为一种新兴的流量仪表近十几年发展迅速，在大型的水利水电项目及天然气贸易结算领域已有广泛应用，其中时差法超声流量计作为计量仪表应用最多。相比液体超声流量计，气体超声流量测量的精度更难保证，涉及的技术问题更多，这与气体介质的特殊性和流动的复杂性密不可分：气体密度较小，分子间距较大，超声波在传播过程中衰减严重，因此接收信号不易检测。加之气体流动的湍流脉动较大，流动噪声叠加在超声波有用信号上，一方面加剧了传播时间的检测难度，另一方面降低了测量的稳定性。在这方面，学者们通过改进硬件电路设计，引入数字信号处理等方法，提高气体超声流量计的测量精度，取得了许多有益成果。

此外，气体超声流量计的上限流速可达30m/s～40m/s，相比于声速340m/s，超声波在气体介质中传播的非线性不能忽略，这将直接引起声传播轨迹和传播时间的改变，进而造成测量误差。已有研究成果表明，超声波无论在均匀速度分布还是充分发展湍流速度分布下，声传播轨迹将偏离静态下的直线，且流速越大轨迹偏离越严重，顺、逆流传播轨迹差别越大。在非均匀速度分布下，超声波传播轨迹将不再为直线，而目前时差法超声流量计算公式中，假设了声沿直线传播，且轨迹不随流速的改变和变化，顺、逆流传播轨迹相同。显然这些假设与学者们针对实际流动情况获得的结论不符，若仍采用传统的流量计算公式，势必会造成较大的测量误差。

发明内容

本发明为解决目前传统时差法气体超声流量计算公式与实际超声波传播情况不相匹配，特别是在中高流速下引起测量的非线性，造成测量误差较大的问题，提供一种提高气体超声流量计测量精度的方法，通过对传统流量计算公式进行修正，达到降低流量测量误差，提高测量精度的目的。技术方案如下：

一种提高气体超声流量计测量精度的方法，包括下列步骤：

1)给定管道直径，顺流发射点A坐标，初始发射角度；逆流发射点B坐标，初始发射角度；迭代时间步长和最大迭代步数；

2)确定迭代结束边界：顺流时，射线传播到发射点B接收表面时停止追踪；同理逆流时，射线传播到发射点A接收表面时停止追踪；

3)基于射线声学理论，利用计算机编程分别对顺流、逆流情况进行射线追踪，得到顺流、逆流射线上的各个追踪点坐标；

4)分别计算超声波实际传播轨迹长度，即实际声程，和各追踪点切线方向与流动方向的夹角，即实际声路角，得到顺流实际声程S_d和声路角β_d，逆流实际声程S_u和声路角β_u；根据求解迭代步数和时间步长，得到超声波顺、逆流实际传播时间t_d和t_u；

5)代入时差法气体超声流量计算修正公式：

式中，v_f为沿声道的线平均流速计算值，乘以流速修正系数K即可得到管道平均流速计算值进而获得流量。

附图说明

图1气体超声流量计示意图

具体实施方式

以下将以DN100径向型单声道气体超声流量计为例(图1)，结合技术方案中的步骤方法，给出各步的参数设置和实施方法：

步骤一：理想情况下，超声流量计使用时上游会配有较长的前直管段，故可认为流入超声流量计的速度分布满足充分发展湍流速度分布，如下式。

式中，v(r)表示距离管道轴线径向距离为r处的轴向流速，v_max为管道中心最大流速，n是由雷诺数Re和管壁粗糙度决定的流速分布指数。对于光滑管，可以用普朗特方程表示：

对于充分发展湍流速度分布，三维流动可以简化为二维处理，流动只在x方向有速度，且沿流动方向各位置速度不变。此外，在超声波传播过程中声速c恒定，故技术方案中给出的射线追踪基本方程可以简化为下式：

利用Matlab对该式进行求解，编程实现过程如下：

(1)初始化：设置管道直径D＝0.1m，顺流发射点A坐标(x₁,y₁)＝(0,0)，初始发射角度α₁＝45°；逆流发射点B坐标(x₁,y₁)＝(0.1,0.1)，初始发射角度α₁＝180+45＝225°；声速c＝340m/s；迭代时间步长Δt＝5ns；最大迭代步数Maxsteps＝10⁵。

(2)确定迭代结束边界：顺流时，射线传播到探头B接收表面时停止追踪，即边界满足y＝-x+0.2；同理逆流时，探头A表面边界满足y＝-x。

(3)分别对顺流、逆流情况进行射线追踪：设第i个追踪点满足

其中，(x_i,y_i)为第i个追踪点坐标，α_i为该点波矢夹角，v_i为该点流速，满足前述充分发展湍流速度分布。顺流时，当y_i+1＞-x_i+1+0.2迭代停止；逆流时y_i+1＜-x_i+1迭代停止，获得实际迭代步数N，且满足N≤Maxsteps。

步骤二：根据步骤一计算得到的各追踪点坐标(x_i,y_i)，实际迭代步数N和迭代时间步长Δt，分别计算顺、逆流实际声程S、实际声路角β和实际传播时间t。公式如下。

t＝(N-1)·Δt

步骤三：将计算结果代入时差法气体超声流量计算修正公式，获得沿声道的线平均流速计算值v_f。

流速修正系数K可根据充分发展湍流速度分布计算获得。

其中，为管道平均流速理论值，v_L为声道线平均流速理论值。

其中，A为管道截面积，L为理论声程。则最终得到基于射线追踪方法理论计算的流量值Q。

为验证本发明提供的时差法气体超声流量计算修正公式的有效性，以DN100径向型单声道气体超声流量计为研究对象(图1)，其中声路角理论值φ＝45°，理论声程L＝141.4214mm，分别利用传统流量计算公式和修正公式计算充分发展湍流速度分布下不同管道平均流速的测量误差，如表1所示。

传统流量计算公式为：

表1 DN100气体超声流量计理论计算结果

表中，为管内平均流速理论值。ε₁为基于传统计算公式的测量误差，ε₂为修正公式计算的测量误差。定义为：

可见，低流速时两方法测量误差较为接近。随着流速逐渐增大，ε₁呈现明显非线性增长趋势，这是由实际声程S和实际声路角β逐渐偏离超声流量计理论声程L和理论声路角φ所造成。当采用修正公式后，测量误差显著减小，提高了气体超声流量计的测量精度，验证了本发明提供的流量计算修正公式的可行性。

Claims (1)

1.一种提高气体超声流量计测量精度的方法，包括下列步骤：

1)给定管道直径，顺流发射点A坐标，初始发射角度；逆流发射点B坐标，初始发射角度；迭代时间步长和最大迭代步数；

2)确定迭代结束边界：顺流时，射线传播到发射点B接收表面时停止追踪；同理逆流时，射线传播到发射点A接收表面时停止追踪；

3)基于射线声学理论，利用Matlab编程分别对顺流、逆流情况进行射线追踪，得到顺流、逆流射线上的各个追踪点坐标；

4)分别计算超声波实际传播轨迹长度，即实际声程，和各追踪点切线方向与流动方向的夹角，即实际声路角，得到顺流实际声程S_d和声路角β_d，逆流实际声程S_u和声路角β_u；根据求解迭代步数和时间步长，得到超声波顺、逆流实际传播时间t_d和t_u；

5)代入时差法气体超声流量计算修正公式：

式中，v_f为沿声道的线平均流速计算值，乘以流速修正系数K即可得到管道平均流速计算值进而获得流量。