气体超声流量计声道的设计与应用

　　1 气体超声流量计的组成和流量计算原理

　　1.1 气体超声流量计的仪表组成

　　常规的气体超声流量计一般由表体、转换器、流量计算机(结算仪)三部分组成。维思公司的产品为了满足终端用户单台仪器的独立使用，设计了一种具有流量计算机的计算存储功能的双核转换器，它能独立完成标况流量的计算功能，如图1所示。

　　1.2 气体超声流量计的工作原理

　　在流量计的测量管段上装有一对超声换能器，超声换能器1和2交替发射和接收超声波，采用超声波检测技术，通过测量超声波沿气流顺向和逆向传播的声速差、压力和温度，计算出气体流速及标准状态下气体的流量。

　　如图2气体超声流量计原理示意图所示，假设两换能器间的超声传播距离为L，超声传播方向与轴线之间的夹角为θ，超声波在静态气体中的声速为c0，则当管道内气体流速为u时，超声波沿气流顺向传播和逆向传播的速度c₁、c₂分别为：

　　上式即为速差法流量测量的基本原理表达式。式中，t₁、t₂分别为超声波顺向传播和逆向传播时的声时，τ₁、τ₂分别为超声波顺向传播和逆向传播时电路、电缆及换能器等产生的声延时。

　　从上式可以看出，速差法测量具有很大的优越性，测得的流速u与媒质的声速c₀(即成分)无关，这对于生产现场实际测量是十分有利的。

　　由测得的管道中的气体流速，可以得到工况条件下气体的瞬时流量Q：

式中：P、T、Z分别为管道中工况条件下气体的压力、温度和压缩因子，P₀、T₀、Z₀分别为标准状态下气体的压力、温度和压缩因子。

　　流量计在燃气管道应用的过程中，由于管壁与燃气(流体)内部存在摩擦黏滞作用，实际燃气的流速在管道截面上存在流速分布。前面提供的u是管道截面内直径上的线平均速度uL，而测量实际流量需要的是管道内截面的面平均流速u_S。

　　K是修正系数(通过实流标定给出的仪表系数)，KC是流场校正因子(该值可以通过理论流场分布的原理计算得到)。

　　通过对现场连续测量得到的瞬时流量进行累计，即可得到管道内气体的累积流量。

　　2 声道设计原理

　　声道是换能器声波所通过的路径，超声波在路径上与被测气体接触，其声速受到流速作用，使其正、反向接收到的时间产生差异，这就是速差法的基本原理。声道使得超声波可在流体中进行采样，因此采样面的多少，取决于声道的长短和分布，同样也决定了流场标定因子的取值。声道的长短是由换能器的信号以及转换器中发射、接收信号的能力和计时精度决定的，它的数量多少和各种组合形式是由仪器所要求的准确度等级、现场管道中的稳流器的位置、前后直管段的长度以及用户对仪器可靠性的要求来决定的。