多声路超声流量计积分方法及其准确度分析

　　1　引　　言

　　随着能源和水资源的全球性匮乏,一批关系国计民生的大型水利工程和引水调水工程在我国迅速发展,如三峡水利枢纽、南水北调工程等。这些工程项目中经常包含一些口径和流量都很巨大的管道,如水电站机组进水管道等,常规流量计无法适应。近年开发应用的多声路超声流量计,较好地解决了大口径水流量测量的技术难题,流量计制造不受管道口径的限制,多声路配置可以适应较为复杂的流道结构和流态分布,故超声流量计已成为大口径水流量测量的最佳技术选择[1]。

　　超声流量计属于速度式流量计,通过测量超声波在流体中顺流和逆流传播的时间差来计算声路线上的平均流速,并通过测量多条声路速度来加权平均计算待测截面上的平均流速。超声流量计需要进行复杂运算才能得到最终的平均流速和流量,其采用的数学模型准确度对整个测量准确度有着非常重要的意义。显然,声路数越多,流量积分准确度就越高,但声路数的增加会大大增加流量计的成本,所以选择合理的声路位置、匹配精确的权重系数就十分重要。

　　超声流量计可以从提高时间及几何量的测量准确度来提高流量计本身的测量准确度,但是数值积分引入的测量误差(简称积分误差)始终为流量计所无法绕开;特别是随着微电子技术以及信号处理技术的飞速发展,声路速度的测量准确度越来越高[2-3],积分误差逐渐成为提高流量测量准确度的瓶颈。对于常用的4声路、8声路超声流量计,积分误差是流量计测量误差的主要来源;对于声路数更多的情况,积分误差也是流量计测量准确度的重要影响因素。即使流量计安装满足前后直管段长度要求,其积分误差也依然存在;而若由于场地或资金限制导致无法满足时,积分误差就更应引起注意。

　　2　流量积分原理

　　超声流量计利用超声波在流体中传播的时间存在差异的特性,由置于待测截面两侧的一对换能器(如图1所示),测量超声波顺流与逆流传播的时间td, i、tu, i,得到相应声路上的平均轴向速度[4](简称声路速度):

　　式中:Li为声路长度,i为声路角。对于单声路流量计,截面平均流速与该声路速度存在特定关系,但易受到流速分布廓形的影响。为了提高流量计的测量准确度,在待测截面上平行地布置多条声路,获得的声路速度可以代表待测截面上相应平行条带内的平均速度,如图2所示,并依据各条带所占的权重系数ωi,用加权求和的方法计算流量,

　　式(2)加权求和计算流量的方法实际利用了数值积分的原理,通过有限个声路采样点计算l(z)·-v(z)的值,来逼近其在区间[-R,R]上的定积分: