多通道超声波气体流量计的原理及标定

　　1　引　　言

　　对超声波流量计的研究已有近30年的历史,由于技术条件的限制,以前人们研究的主要是超声波液体流量计。90年代以来,随着科学技术特别是电子技术及传感器技术的发展,超声波气体流量计才日益受到人们的重视,并开始逐步走向实用化、广泛化。

　　多通道超声波速差法气体流量计采用声速差法,通过精确测量超声波沿气流顺向及逆向传播的声速差,测量各种口径管道内稳态或脉动气流的双向流速、流量。具有测量快速、对气体无流阻、无压力损失、量程宽、测量结果不受气体声速随成分、压力、温度变化的影响、对大管径及脉动气流也能进行正确测量等优点,解决了目前大口径大流量气体缺乏精确、便捷计量手段的难题[1]。

　　2　多通道超声波速差法气体流量计的原理

　　采用超声检测技术,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,算出气体流速及标准状态下气体的流量。其原理如图1所示;

　　图中,假设管道内径为D,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,则管道内换算成标准工况下的气体流量Q可表示为:

　　在实际应用中,流量计采用了多声道的方法来消除流速分布不均匀的影响。

　　流量计由于采用了获得发明专利的“随机地多次测量时间间隔后平均”、“过零电平检测”、“提高超声发射接收能力”、“尽可能高的时标频率”及多通道等技术措施,从而大大提高了仪器的测时及流量测试精度。

　　3　超声波流量计的静态试验

　　为了检验多通道超声波流量计的稳定性,在安装换能器的超声标准测量短截两端密封(即气体零流速)的情况下进行了为期7天的静态稳定性试验。7天内流量计的流速测量显示平均值:0.0020m/s,标准误差:±0.0017m/s,流速最大值:0.0021m/s,流速最小值:-0.0060m/s。

　　4　超声波流量计的动态标定

　　采用与标准长颈喷嘴串接标定的方法。

　　4.1　长颈喷嘴流量测量装置

　　长颈喷嘴流量测量装置如图2所示。当气体在管道中流动而进入喷嘴时,由于流通面积缩小,流线束产生局部收缩,流速加快。其结果导致静压的降低。因而在喷嘴前后产生了静压差,这个静压差与气体流速有关,通过测量此静压差可以求出流量。

　　实验中,考虑到喷嘴流速太低时雷诺数太小,气体不为紊流状态,流速太高时,空气又有压缩性,因此喷嘴流速不能太低也不能太高。实验中喷嘴喉部流速基本限制在15～36米/秒之间。此时,通过分析,长颈喷嘴流量测量装置的流量测试精度为±0.6%[3]。