CN114563065A - 气体超声波流量计校准方法 - Google Patents

Abstract

尽管已经仅相对于有限数量的实施方式描述了本公开，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设计各种其他实施方式。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求限制。发明涉及流量计校准领域，尤其涉及气体超声波流量计校准方法。本发明提供基于流量数值积分误差分析的气体超声波流量计校准方法。气体超声波流量计校准方法，为了更好地适应复杂的流场分布，进一步提高气体流量测量的精度，采用多声道超声波气体流量计可大大接近实际场景。多声道超声波气体流量计将多个声道按照一定的规律合理地布置在管道不同的流层位置上，各个声道可以分别反映不同位置的气体流动情况。本发明通过流体雷诺数对流场状态进行分析，进而推导出不同流场状态下的截面平均流速和声道线平均流速之间的关系。

Description

气体超声波流量计校准方法

技术领域

本发明涉及流量计校准领域，尤其涉及气体超声波流量计校准方法。

背景技术

随着工业生产大型化，大管径流量测量日益增加，要发展气体超声波流量测量仪表，就需要研制和建立能满足需求的气体流量检定装置，构建校准系统。

本领域技术人员从几何参数校准、时间参数校准、以及流量数值积分误差校准三个方面分析，建立了对大管径气体超声流量计的非实流校准系统：一、利用三维坐标测量臂对超声流量计管道进行几何参数的测量，利用坐标测量仪器，可以给出测量管段及探头几何形态的完整描述，降低了几何参数测量的不确定度。二、基于能量的超声波信号过零检测方法，通过确定过零点，避免了信号的变化对流量测量造成影响，实现传播时间的精准计算。

然而在实际测量中，由于气体流速分布比较复杂，利用数值积分过程会引入一定的误差，在不了解气体流场分布状态的情况下，即使引入系数修正，这种误差是依然存在，很难避免。

发明内容

为了克服数值积分过程会引入一定的误差的缺点，本发明的技术问题是：提供基于流量数值积分误差分析的气体超声波流量计校准方法。

本发明的技术实施方案为：气体超声波流量计校准方法，包括如下步骤：

步骤一、基于时差法测量原理的多声道超声波气体流量计，依据已有的公式计算得到每一个声道上的测量流速V：

式中，T_AB为超声波传播顺程时间；T_BA为超声波传播逆程时间；L为声道长度；θ为超声波传播方向与管道轴向的夹角。

步骤二、再通过将各个声道上的流速测量值进行加权积分，可计算得到流体流经管道横截面的平均流速

式中，ω_i是第i声道的加权积分系数。

步骤三、根据流体流量公式计算管道测量断面的瞬时体积流量Q：

步骤四、又因为从另一角度，也可根据数值积分公式计算该分段布置形式的管道流量，定义管道半径为R，声路数量为n，i代表不同的声道，

为i声道线处的气体平均流速；则管道内气体的瞬时体积流量为：

令

可以简化积分计算过程，从而推导出管道断面的瞬时体积流量Q：

步骤五、通过雷诺数来进行判别气体的流动状态，分为层流或紊流：

层流状态下的截面平均流速

和声道线平均流速

之间存在如下关系为：

紊流状态下的截面平均流速

和声道线平均流速

之间存在如下关系为：

雷诺数已知(由尼古拉兹的实验数据查询流体和管道等相关几何参数得出雷诺数的取值)，则可计算出对应的n值。

步骤六、在步骤四中，在简化积分计算的公式中，令

可以看出W_i与声道长度呈正相关函数。又由流体力学计算公式和已知的雷诺数取值，推导出两种不同流体状态下的截面平均流速

和声道线平均流速

之间的函数表达：

即，层流状态下：

紊流状态下：

即由此简化积分中W_i的复杂计算过程。

进一步，还包括:运用PROM编程器软件将W_i的函数表达式写入工控机的计算程序，根据流体雷诺数取值赋予相应声道线上对应n的取值，并保证工控机关于流体状态的切换模式稳定运行。

有益效果为：本发明通过流体雷诺数对流场状态进行分析，进而推导出不同流场状态下的截面平均流速和声道线平均流速之间的关系。为加权积分系数取值提供相关函数表达，为简化积分计算过程提供高效方法，进一步提高了气体超声波流量计校准的精确性。

附图说明

图1为本发明的时差法测量原理示意图。

图2为本发明的四声道布置示意图。

图3为本发明的层流状态示意图。

图4为本发明的紊流状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

为了更好地适应复杂的流场分布，进一步提高气体流量测量的精度，采用多声道超声波气体流量计可大大接近实际场景。多声道超声波气体流量计将多个声道按照一定的规律合理地布置在管道不同的流层位置上，各个声道可以分别反映不同位置的气体流动情况。

如图1所示，本发明采用四声道＂X+X＂型多声道布置方式。四对相互独立的超声波换能器，四对换能器按照Z法布置在管道不同高度的水平截面上，每两个相邻的声道之间相互交又，四个声道所在的平面互相平行。这种四声道布置方式能够有效降低管道中气体流速分布不均对测量的不利影响，具有较强的抗干扰能力。

气体超声波流量计校准方法，包括如下步骤：

步骤一、如图2所示，基于时差法测量原理的多声道超声波气体流量计，依据已有的公式计算得到每一个声道上的测量流速V：

式中，T_AB为超声波传播顺程时间；T_BA为超声波传播逆程时间；L为声道长度；θ为超声波传播方向与管道轴向的夹角。

步骤二、再通过将各个声道上的流速测量值进行加权积分，可计算得到流体流经管道横截面的平均流速

式中，ω_i是第i声道的加权积分系数。

步骤三、根据流体流量公式计算管道测量断面的瞬时体积流量Q：

步骤四、又因为从另一角度，也可根据数值积分公式计算该分段布置形式的管道流量，定义管道半径为R，声路数量为n，i代表不同的声道，

为i声道线处的气体平均流速；则管道内气体的瞬时体积流量为：

令

可以简化积分计算过程，从而推导出管道断面的瞬时体积流量Q：

步骤五、由于流体在直圆管内流动时具有黏性，使得截面上的流速分布不均匀，即由壁面上流速为零，到轴线上流速达到最大值，且摩擦损失使压力沿管长逐渐下降.流体经过足够长的直管段后，即在各个截面上的流动状态不再发生变化，则保持该流动状态，可分为层流或紊流。层流是指流体质点以规则的运动轨迹，黏性力起主导作用。紊流是指流体质点以不规则的运动轨迹，惯性力起主导作用。气体的流动状态可以通过雷诺数来进行判别，在流体雷诺数较低的情况下，气流的流动状态表现为层流；而在流体雷诺数比较高的情况下，气流的流动状态表现为紊流。从已知实验得到雷诺数R_e约为2320，当R_e≥2320时，流体由层流变为紊流,管道内出现紊流的雷诺数也称为临界雷诺数R_e：

式中，ρ是流体的密度，v是流体的流速，D是管道内径，μ是流体的黏性系数。

其一，如图3所示，对于圆管流体为层流速度分布，根据流体力学公式可表示为：

式中，V_(r)是距离管道轴线r处的流速，v_max是管道中心处的最大流速，D是管道内径。

由此，管道截面上的平均流速可表示为：

对于超声波气体流量计，声道一般是径向或弦向布置的，则气体流动时声道上的线平均流速可表示为；

由上两式可得到，层流状态下的截面平均流速

和声道线平均流速

之间存在如下关系为：

其二，如图4所示，对于圆管流体为紊流速度分布，根据流体力学，可由幂函数公式表示为：

式中，n表示管道雷诺数R_e和管道粗糙度之间的函数关系：

由此，管道截面上的平均流速又可表示为：

气体流动时声道上的线平均流速又可表示为；

由上两式可得到，紊流状态下的截面平均流速

和声道线平均流速

之间存在如下关系为：

雷诺数已知(由尼古拉兹的实验数据查询流体和管道等相关几何参数得出雷诺数的取值)，则可计算出对应的n值。

步骤六、在步骤四中，在简化积分计算的公式中，令

可以看出W_i与声道长度呈正相关函数。又由流体力学计算公式和已知的雷诺数取值，推导出两种不同流体状态下的截面平均流速

和声道线平均流速

之间的函数表达：

即，层流状态下：

紊流状态下：

即由此简化积分中W_i的复杂计算过程。

步骤七、运用PROM编程器软件将W_i的函数表达式写入工控机的计算程序，根据流体雷诺数取值赋予相应声道线上对应n的取值，并保证工控机关于流体状态的切换模式稳定运行。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供的创新点在于将复杂积分计算简化为有限区间内流体状态的函数表达式，求解有限流量点的加权平均值。避免积分误差的出现，保证求解加权平均值中误差修正的精准性。在几何参数校准、时间参数校准之后，进一步提供可行的流量数值积分误差校准方法，为健全校准系统提供了巨大的社会效益。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.气体超声波流量计校准方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一、基于时差法测量原理的多声道超声波气体流量计，依据已有的公式计算得到每一个声道上的测量流速V：

式中，T_AB为超声波传播顺程时间；T_BA为超声波传播逆程时间；L为声道长度；θ为超声波传播方向与管道轴向的夹角。

步骤二、再通过将各个声道上的流速测量值进行加权积分，可计算得到流体流经管道横截面的平均流速

式中，ω_i是第i声道的加权积分系数。

步骤三、根据流体流量公式计算管道测量断面的瞬时体积流量Q：

步骤四、又因为从另一角度，也可根据数值积分公式计算该分段布置形式的管道流量，定义管道半径为R，声路数量为n，i代表不同的声道，

为i声道线处的气体平均流速；则管道内气体的瞬时体积流量为：

令

可以简化积分计算过程，从而推导出管道断面的瞬时体积流量Q：

步骤五、通过雷诺数来进行判别气体的流动状态，分为层流或紊流：

层流状态下的截面平均流速

和声道线平均流速

之间存在如下关系为：

紊流状态下的截面平均流速

和声道线平均流速

之间存在如下关系为：

雷诺数已知(由尼古拉兹的实验数据查询流体和管道等相关几何参数得出雷诺数的取值)，则可计算出对应的n值。

步骤六、在步骤四中，在简化积分计算的公式中，令

可以看出W_i与声道长度呈正相关函数。又由流体力学计算公式和已知的雷诺数取值，推导出两种不同流体状态下的截面平均流速

和声道线平均流速

之间的函数表达：

即，层流状态下：

紊流状态下：

即由此简化积分中W_i的复杂计算过程。

2.按照权利要求1所述的气体超声波流量计校准方法，其特征是，运用PROM编程器软件将W_i的函数表达式写入工控机的计算程序，根据流体雷诺数取值赋予相应声道线上对应n的取值，并保证工控机关于流体状态的切换模式稳定运行。

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