超聲發(fā)展過程.doc

氣體超聲流量計的發(fā)展過程 氣體超聲流量計的發(fā)展過程引言：應用超聲測量技術實現(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，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）模擬式傳輸時間差法（約在1970年出現(xiàn)，即70年代盛行）數(shù)字式絕對傳輸時間法（大約從1980年以后開始，經不斷改進，現(xiàn)日漸成熟）一、數(shù)字式絕對傳輸時間法的原理：在管道的兩側，A點和B點裝有壓電傳感器，這一對傳感器可發(fā)射和接收聲脈沖。 式中：L聲道長度，C氣體中的傳聲時間（約300450m/s,or10001500ft/s），然而，如有流動，聲脈沖從A到B的傳輸時間tab將減小，而它從B到A的傳輸時間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，當兩個聲脈沖是同時發(fā)射時，聲速C對于這兩個測量是相等同的，因此C可以被消掉，而得到下式： L 1 1 Vm = ( - ) (4) 2 cos (j) tab tba 特別是當氣體組份、溫度和/或壓力變化時，同時發(fā)射兩個聲脈沖穿過被測介質是極端重要的。在這里數(shù)字技術具有優(yōu)于其他方法的明顯優(yōu)點，即對于聲速的快速波動，絕對不敏感。二、如何消除現(xiàn)場復雜流動狀態(tài)的影響：1現(xiàn)場流動狀態(tài)影響儀表測量精度的主要因素：（1）速度分布不對稱；（2）渦流。 Figure 1. Double Out-of-plane Bend 圖2：流動狀態(tài)的分析 2消除流動狀態(tài)影響的辦法： 對于各種機械式的流量計（如渦輪、腰輪）來說，是利用整流器通過阻斷渦流來消除渦流。對于氣體超聲流量計是利用不同的聲道配置，消除流動狀態(tài)的影響： 3不同聲道的優(yōu)缺點：(1) 1對射聲道優(yōu)點： 結構簡單,發(fā)射功率不用很高;缺點： 受渦流的影響大,無法單獨構成一個測量系統(tǒng)(2) 2對對射聲道優(yōu)點： 結構簡單,發(fā)射功率不用很高，采用在同一切面的兩對探頭，消除了渦流的影響;缺點： 使用2對對射聲道，才能構成一個測量系統(tǒng)。(3) 1對單反射聲道優(yōu)點： 使用一對反射原理的聲道，替代了兩對對射聲道，才能達到的效果，消除了渦流的影響，1對單反射聲道，即可構成一個測量系統(tǒng);缺點： 要求探頭的發(fā)射功率大（技術要求高）。(4) 1對雙反射聲道優(yōu)點： 使用一對雙反射原理的聲道，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對對射聲道的1.5倍，獲得流速的信息更多，利用2對不同旋轉方向的雙反射聲道可以獲得渦流的詳細信息。缺點： 要求探頭的發(fā)射功率更大（技術要求高），1對雙反射聲道會受渦流的影響，使用2對雙反射聲道，才能構成一個測量系統(tǒng)。當將超聲探頭安排在管道相對的兩側時，測量結果對渦流是敏感的。當有渦流存在時，流動也包含有與流向垂直的流動分量。這種與流向交叉垂直的流動分量就像軸向的流動分量一樣也會產生傳輸時間差，因此會產生流速測量的誤差。如聲道夾角為45，1%的垂直交叉的渦流就會產生1%的誤差。因此對精確的氣體流量測量來說，消除渦流的影響是最重要的，因為渦流的影響是最大的。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對單反射聲道2對對射聲道2對單反射聲道2對雙反射聲道3對單反射聲道1對單反射聲道+2對雙反射聲道4對對射聲道3對單反射聲道+2對雙反射聲道6對對設聲道軸向速度分布不對稱有無有無有有無有（稍強）無弦向速度分布不對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重因子是否固定 是是自動調整自動調整自動調整自動調整是自動調整是對探頭技術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：應該說多聲道氣體超聲流量計是在現(xiàn)場復雜流態(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構、聲道的配置方式及其分析和消除速度分布不對稱、渦流等復雜流態(tài)對測量影響的程度，而不是單純的聲道數(shù)目的多少。平行聲道是數(shù)字式絕對傳輸時間法早期的應用模式，有著一定理論基礎（關于高斯數(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（重）因子值的研究有一定成果），探頭技術上容易實現(xiàn)。但是由于它對軸向速度分布不對稱、二次分析渦流影響的能力、權重因子是固定等問題缺乏解決手段，用戶對此結構的氣體超聲流量計的實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構，在軸向速度分布不對稱、消除渦流的影響、二次分析渦流影響的能力、權重因子自動調整方面進行了改進，大大提高了儀表在現(xiàn)場的使用精度，確保現(xiàn)場測量的準確性。附1儀表誤差：由于儀表的原理即是基于非常精密的時間測量，所以很明顯，儀表中任何的測時誤差都會引起流速測量的誤差。測時誤差dt與引起的流速誤差dv之間的相互關系是一個線性函數(shù)，它與管道直徑有關，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)字信號處理技術，使得所形成的測時誤差可作得小于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：目前超聲流量計的主要應用場合是在大管徑管道。然而高新技術也在推進其管徑下限邊界值下移，對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，流量計中裝備著4個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（重）因子值。此法的明顯的缺點是由于其作為基礎前提的假設和高斯面積求積積分法的限制，如： 假定流動的速度分布是完全地軸對稱的； 關于雷諾數(shù)的附加信息一點也不利用； 由于對每個聲道都采用固定不變的權重因子，所以僅對未被干擾的流動的速度分布剖面，其權重因子值才是