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

气体超声波流量计校准方法 Download PDF

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CN114563065A
CN114563065A CN202210303483.7A CN202210303483A CN114563065A CN 114563065 A CN114563065 A CN 114563065A CN 202210303483 A CN202210303483 A CN 202210303483A CN 114563065 A CN114563065 A CN 114563065A
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胡开明
李跃忠
王怀平
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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：
Figure BDA0003563789570000011
式中，TAB为超声波传播顺程时间；TBA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
Figure BDA0003563789570000021
Figure BDA0003563789570000022
式中，ωi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：
Figure BDA0003563789570000023
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，
Figure BDA0003563789570000024
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：
Figure BDA0003563789570000025
令
Figure BDA0003563789570000026
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：
Figure BDA0003563789570000027
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
Figure BDA0003563789570000028
和声道线平均流速
Figure BDA0003563789570000029
之间存在如下关系为：
Figure BDA00035637895700000210
紊流状态下的截面平均流速
Figure BDA00035637895700000211
和声道线平均流速
Figure BDA00035637895700000212
之间存在如下关系为：
Figure BDA00035637895700000213
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
Figure BDA0003563789570000031
可以看出Wi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
Figure BDA0003563789570000032
和声道线平均流速
Figure BDA0003563789570000033
之间的函数表达：
即，层流状态下：
Figure BDA0003563789570000034
紊流状态下：
Figure BDA0003563789570000035
即由此简化积分中Wi的复杂计算过程。
进一步，还包括:运用PROM编程器软件将Wi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：
Figure BDA0003563789570000041
式中，TAB为超声波传播顺程时间；TBA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
Figure BDA0003563789570000042
Figure BDA0003563789570000043
式中，ωi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：
Figure BDA0003563789570000044
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，
Figure BDA0003563789570000045
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：
Figure BDA0003563789570000051
令
Figure BDA0003563789570000052
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：
Figure BDA0003563789570000053
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Re约为2320，当Re≥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Re：
Figure BDA0003563789570000054
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：
Figure BDA0003563789570000055
式中，V(r)是距离管道轴线r处的流速，vmax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：
Figure BDA0003563789570000061
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；
Figure BDA0003563789570000062
由上两式可得到，层流状态下的截面平均流速
Figure BDA0003563789570000063
和声道线平均流速
Figure BDA0003563789570000064
之间存在如下关系为：
Figure BDA0003563789570000065
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：
Figure BDA0003563789570000066
式中，n表示管道雷诺数Re和管道粗糙度之间的函数关系：
Figure BDA0003563789570000067
由此，管道截面上的平均流速又可表示为：
Figure BDA0003563789570000068
气体流动时声道上的线平均流速又可表示为；
Figure BDA0003563789570000069
由上两式可得到，紊流状态下的截面平均流速
Figure BDA00035637895700000610
和声道线平均流速
Figure BDA00035637895700000611
之间存在如下关系为：
Figure BDA00035637895700000612
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
Figure BDA0003563789570000071
可以看出Wi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
Figure BDA0003563789570000072
和声道线平均流速
Figure BDA0003563789570000073
之间的函数表达：
即，层流状态下：
Figure BDA0003563789570000074
紊流状态下：
Figure BDA0003563789570000075
即由此简化积分中Wi的复杂计算过程。
步骤七、运用PROM编程器软件将Wi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：
Figure FDA0003563789560000011
式中，TAB为超声波传播顺程时间；TBA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
Figure FDA0003563789560000012
Figure FDA0003563789560000013
式中，ωi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：
Figure FDA0003563789560000014
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，
Figure FDA0003563789560000015
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：
Figure FDA0003563789560000016
令
Figure FDA0003563789560000017
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：
Figure FDA0003563789560000018
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
Figure FDA0003563789560000019
和声道线平均流速
Figure FDA00035637895600000110
之间存在如下关系为：
Figure FDA0003563789560000021
紊流状态下的截面平均流速
Figure FDA0003563789560000022
和声道线平均流速
Figure FDA0003563789560000023
之间存在如下关系为：
Figure FDA0003563789560000024
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
Figure FDA0003563789560000025
可以看出Wi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
Figure FDA0003563789560000026
和声道线平均流速
Figure FDA0003563789560000027
之间的函数表达：
即，层流状态下：
Figure FDA0003563789560000028
紊流状态下：
Figure FDA0003563789560000029
即由此简化积分中Wi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Wi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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116698141A (zh) * 2023-07-28 2023-09-05 山东大学 一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法及系统
CN116698141B (zh) * 2023-07-28 2023-10-27 山东大学 一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法及系统

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