基于时差法的气体超声波流量计算法研究图文.doc

基于时差法的气体超声波流量计算法研究_图文 ??．应用研究．量垦垦垦垦呈雹 ??基于时差法的气体超声波流量计算法研究 ??Ｔｈｅ ??Ｒｅｓｅａｒｃｈ ??ｏｒｌ ??Ａｒｉ廿ｌｍｅ七ｉＣｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉＣＧａｓＦｌｏｗｍｅｔｅｒＢ＆ｓｅｄ ??ｏｎ ??Ｔｉｍｅ１３ｉｆｆｅｒｅｎｃｅＭｅｔｈｏｄ ??张亚先李长奇孙丽梅刘守宁３００３８４） ??（中环天仪股份有限公司 ??【摘要】本文主要介绍了基于时差法的气体超声波流量计的几种流量算法公式的推导，以及对各种算法进行深入的讨论研究，最终指出其中最优流量表达式的应用。 ??［关键词】气体超声波流量计［中图分类号】ＴＥＢ ??算法 ??时差法 ??温压补偿 ??［文章编号】１００７－９４１６（２００９）０８－００６１－０２ ??［文献标识码】Ａ ??１引言 ??与以往传统的各种气体流量计相比，气体超声波流量计具有安装简单、维护费用低、不改变气体流动状态、不产生附加阻力以及适合大管径大流量铡量等优点，是一种理想的节能型气体流量计。气体超声波流量计被广泛应用于冶金、电力、化工、石油、食品、医药、农业以及环保等国民经济的各个领域，可以作为能源（如煤气、天燃气）和其它气体（如氧、氮、氢、空气等）的经济核算和能源管理工具。同时，随着大气环境保护被列为二十一世纪十大课题之一，我国有上千万个烟口排放出的烟气需要进行流量监控和烟气成分检测，气体超声波流量计更是成为了工业监铡的必备仪器。 ??本文主要对气体超声波流量计的时差法测量原理进行了深入研究，推导了时差法测量的各种算法，并通过对各种不同算法的分析，进一步讨论去除温度、压力对气体测量影响的可能性，从而有益于解决 ??换能器安装角度等作为已知条件，通过监测超声波信号在气体中沿顺流方向和逆流方向的两个传播时间，分别计算出气体的流速和流量。 ??图２．１为气体超声波流量计的简化结构示意图。如图所示，在管道中有固定流向的气体介质。圆形管道的内径为Ｄ，在管道两侧的Ａ、Ｂ两点相对各放置一个超声波换能器。两个换能器之间的连线与管道轴线方向的安装角度为０，并与管道中轴相交（在实际安装情况中，换能器的位置也允许不在管道直径上，视声道数目的不同而有所差异）。 ??两换能器分时测量两次：首先超声波换能器在Ａ点处顺管道气体流动的方向发射超声波脉冲串，用换能器在Ｂ点处接收，测得超声波顺程时间ｔ。。。然后改用超声波换能器在Ｂ点处沿气体流向的逆向再发射超声波脉冲串，用换能器在Ａ点处接收，测得逆程时间ｔ。。。用二者之差（ｔ。。－－ｔ。。）计算被测流体的流量，这就是超声波时差法的基本铡量原理。 ??可见，利用时差法测气体流速的基本原理是：超声波在气体中的传播速度等于超声波在静止气体中的传播速度与气体的平均流速的矢量和，依此计算出气体的平均速度之后再推算出管道气体流量的大小。 ??３ ??度，ｍ／ｓ ??Ｔ ??一一超声波仪表附加延迟时间，Ｓ ??２Ｄ ??ｃ ??流速ｖ的表达式可由式（３．１）直接推得 ??（３．３） ??在式（３．３）中，气体流速ｖ与测量时间ｔＡＢ呈非线性关系，该表达式不是仪表设计所希望得到的理想表达式，因此应利用ｔＡＢ、ｔＢＡ两个量来推导流速ｖ的更佳表达式。 ??以下将列举具有代表性的三种气体超声波流量计时差法的不同算法模型。 ??３．１算法公式一 ??推导第一种算法表达式时，首先定义 ??超声波逆程、顺程传播时间差为Ａｔ＝ｔ。。一ｔ。。。联立式（３．１）和式（３．２）推得 ??２ＤＸ ??ｃＯｔ０Ｘｖ ??出２了二≮丽（３?４） ??一般来说在摄氏零度时海平面的气体声速约３３１．５ｍ／ｓ，而管道中流体流速通常小于５０ｍ／ｓ，即ｃ２＞＞ｖ２。这样式（３．２）可以简化为 ??气体测量中的一大难题一一温压补偿问题。 ??２时差法的基本测量原理 ??常用气体超声波流量计的测量原理大致可分为四种：频差法、相关法、多普勒法和时差法１１ｔ。由于频差法和相关法的分辨力较低，实现起来较困难。由于多普勒法测量精度受到温度变化和散射体的影响，需要进行修正，而且修正过程比较复杂，因此实际应用较少。因此基于难度和可实现性两方面因素的考虑，目前生产最多、应用范围最广的气体超声波流量计主要采用时差法来实现。 ??自从１９２８年德国人吕特根（Ｒｕｔｔｇｅｎ）提出了超声波流量测量原理【２】以来，直到二十世纪三十年代才研制出应用时差法的超声波流量计［”，但为了使超声波流量计具有一定的精度，时差法超声波流量计要求对时间的测量精度至少达到ｌＯ－－９Ｓ，这在当时是很难做到的。直到上世纪八十年代，超声波流量仪表取用单片机作为中央处理单元以提高其数学运算与数据处理能力，才使得超声波流量计真正进入了工业测量领域。 ??采用时差法测量的气体超声波流量计属于间接测量仪表，它对气体流量的测量是将被测气