一種天然氣能量計(jì)量超聲氣體流量計(jì)
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圖4-傳播時(shí)間測(cè)量的原理
聲道在斷面上的布置結(jié)構(gòu)對(duì)流量計(jì)的性能有很重要的影響。已經(jīng)有很多不同聲道斷面的文章發(fā)表，典型的為3-6個(gè)聲道，其中應(yīng)用了直接傳播和反彈聲道技術(shù)。
對(duì)于TotalSonic流量計(jì)（圖5），選擇使用了4聲道斷面布置。這一點(diǎn)與Whyler[3]建議的非常相似。
圖5-TotalSonic流量計(jì)聲道斷面圖
? SICK公司（見(jiàn)后面）發(fā)展起來(lái)的高精度測(cè)量時(shí)間的換能器技術(shù)不需要擴(kuò)展聲道長(zhǎng)度。這種測(cè)量在總不確定度的貢獻(xiàn)小于10%--在大口徑時(shí)就更?。?
? 不采用彈性聲道的技術(shù)消除了管內(nèi)的反射點(diǎn)。這一點(diǎn)可以改變它的一些特征，比如因雜質(zhì)或管壁粗糙程度而產(chǎn)生了附加不確定度的特征。表體的機(jī)械加工被簡(jiǎn)化了，因而降低了生產(chǎn)成本；
? 反射的避免節(jié)約了聲能。這使得可以減小電源輸入，允許在所有的操作條件下包括大氣壓、氣體低密度（H2）或高聲能衰減（CO2）等運(yùn)行更大口徑的流量計(jì)；
? 這種特殊的聲道斷面布置結(jié)構(gòu)可以很好地補(bǔ)償（但不測(cè)量）由于旋渦流引起的測(cè)量偏差。這一點(diǎn)通過(guò)高壓、常壓下大量試驗(yàn)已得到證實(shí)；
? 采用4聲道，并且具有補(bǔ)償旋渦流功能的聲道布置結(jié)構(gòu)的流量計(jì)，比采用6聲道，但可以獨(dú)立測(cè)量旋渦流補(bǔ)償?shù)牧髁坑?jì)節(jié)省了成本。這一點(diǎn)使得超聲技術(shù)的成本比較接近于機(jī)械技術(shù)。
3.3 換能器技術(shù)
眾所周知，換能器是超聲流量計(jì)的核心和起決定性作用的部件。大多數(shù)現(xiàn)在應(yīng)用的換能器采用所謂聲學(xué)匹配層來(lái)與氣體阻抗和固體表體匹配。
SICK/ABB的換能器技術(shù)基于全金屬設(shè)計(jì)，不使用任何匹配層（圖6）。這種阻抗的匹配通過(guò)完全用鈦制造的聲能變壓器的特別設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)工藝基于兩個(gè)要點(diǎn)：
1.20年的換能器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)用于控制發(fā)射的高熱可燃性氣體流量計(jì)量系統(tǒng)中；
2.強(qiáng)大的理論支持--所有的換能器使用FEM方法和電機(jī)轉(zhuǎn)換技術(shù)，從理論上建立了模型。
圖6-換能器
? 換能器小型化使得前面描述的聲道斷面布置結(jié)構(gòu)適用于小口徑（3″和4″），這樣流量計(jì)可以造的很緊湊；
? 傳播時(shí)間的高精度測(cè)量使得60°安裝成為可能--這使得換能器端口或換能器突入流體的部件造成的紊亂得以減?。?
? 金屬聲能變壓器具有高效性--使得流量計(jì)可以在常壓和高到100bar的高壓下用同一種類(lèi)型的換能器操作；
? 理論模型允許對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行有效的控制。這使得壓力和溫度不依賴于換能器性能，不需要進(jìn)行補(bǔ)償；
? 不使用匹配層和溫度敏感膠的作法允許系統(tǒng)在高達(dá)200℃的溫度下操作；
? 換能器機(jī)械制造的高再現(xiàn)性保障了傳播時(shí)間測(cè)量的高再現(xiàn)性。這是換能器在不改變流量計(jì)基線的情況下變換的前提；
? 很高的信號(hào)強(qiáng)度和寬波使得可以在非常高的氣體速度下測(cè)量（可以允許40-80m/sec，決定于流量計(jì)管徑大?。?
? 使用高頻率防止電子管等安裝設(shè)備的噪聲妨礙。
有好幾種工具可用來(lái)設(shè)計(jì)換能器和檢查結(jié)果。作為一個(gè)例子在參考文獻(xiàn)[4]中介紹了干涉測(cè)量法。
3.4 聲速測(cè)量
測(cè)定的聲速正比于傳播時(shí)間差。兩個(gè)傳播時(shí)間倒數(shù)求和可以得到聲速。
另一種獨(dú)立的自診斷功能可以產(chǎn)生于流量計(jì)，不需要使用氣體組成的數(shù)據(jù)?；诠艿纼?nèi)沒(méi)有溫度分配的假設(shè)，所有聲道的聲速會(huì)被限于一個(gè)誤差限內(nèi)，比如0.1%。
3.5 流量計(jì)結(jié)構(gòu)
流量計(jì)的結(jié)構(gòu)要使得超聲技術(shù)應(yīng)用的比現(xiàn)在更普遍，這是超聲流量計(jì)（專利沒(méi)有限定結(jié)構(gòu)）總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。這些想法包括：
? 使用要簡(jiǎn)單化，包括校準(zhǔn)；
? 跟其它測(cè)量技術(shù)（比如渦輪流量計(jì)）有相同的應(yīng)用基礎(chǔ)和接口連接；
? 不同外徑結(jié)構(gòu)，沒(méi)有外在換能器纜線；
? 在不降低準(zhǔn)確度的前提下，生產(chǎn)技術(shù)使得成本降低。
流量計(jì)表體使用鋼鑄件制成，這會(huì)降低生產(chǎn)和測(cè)試費(fèi)用。精確加工保證很高的再現(xiàn)性。通常與焊接有關(guān)的收縮、扭曲變形、不圓整被完全避免了。流量計(jì)表體整體化組裝，把所有的換能器和纜線放入封套內(nèi)。
圖7-去掉外殼的4個(gè)換能器和纜線側(cè)視圖
對(duì)所有4″管徑，流量計(jì)表體的底座長(zhǎng)度為3D（D為管道內(nèi)徑，下同）。這一點(diǎn)與其它的流量計(jì)比如渦輪流量計(jì)是一致的。因而流量計(jì)可以在相同的安裝位置使用，甚至取代原先安裝在那里的渦輪流量計(jì)等測(cè)量設(shè)備。
操作4聲道流量計(jì)所需要的所有電子元件，用于信號(hào)計(jì)算和流量計(jì)通信，都安裝在頂部的小盒子里。這種界面用于在一側(cè)與流量計(jì)兼容（雙脈沖輸出），在另一側(cè)與前面敘述的先進(jìn)系統(tǒng)兼容（與前面描述的系統(tǒng)Modbus界面連接）。
流量計(jì)提供以下數(shù)據(jù)：
? 2個(gè)獨(dú)立的雙向體積計(jì)數(shù)器，2個(gè)誤差體積計(jì)數(shù)器；
? 實(shí)際條件下的體積流量；
? 管道速度、聲速；
? 狀態(tài)參數(shù)（只針對(duì)連續(xù)運(yùn)行）。
所有的電器都是低電源設(shè)計(jì)，允許太陽(yáng)能供電，包括太陽(yáng)能面板適配的控制電路。
流量計(jì)的生產(chǎn)資質(zhì)符合ATEX和CSA要求，并遵守歐洲PED（壓力設(shè)備指導(dǎo)）和U.S.DOT102條例。歐洲許多國(guó)家的型式批準(zhǔn)在關(guān)聯(lián)交易中可以使用，并且在北美的西南研究院（SwRI）作了檢定測(cè)試。
3.6校準(zhǔn)
今天，許多流量計(jì)在對(duì)外銷(xiāo)售時(shí)附帶大氣壓下的校準(zhǔn)證書(shū)。在商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，常常需要價(jià)格昂貴的高壓校準(zhǔn)--有時(shí)包括完全的流量計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)。
TotalSonic流量計(jì)提供了在大氣壓條件下校準(zhǔn)的可能性（如果用戶接受的話）作為那個(gè)時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。在操作壓力下對(duì)基線進(jìn)行雷諾數(shù)校正，數(shù)據(jù)可以用計(jì)算機(jī)計(jì)算出來(lái)，并且存儲(chǔ)在系統(tǒng)文件中。這造成了費(fèi)用上的真正節(jié)省。
AGANO9號(hào)報(bào)告中[6]描述的程序不是真正的校準(zhǔn)，只是把影響流量計(jì)準(zhǔn)確度的各參數(shù)調(diào)整到它們的實(shí)際值。
對(duì)前面描述的與流量計(jì)性能有關(guān)的系統(tǒng)中各個(gè)組成部分，應(yīng)用最新的最成熟的生產(chǎn)技術(shù)，在不久的將來(lái)，將會(huì)產(chǎn)生真正的“干?！奔夹g(shù)。如果我們對(duì)系統(tǒng)各個(gè)組成部分都能成功地復(fù)現(xiàn)基本流量計(jì)的參數(shù)--比如測(cè)定傳播時(shí)間的換能器和電子電路，再比如決定幾何結(jié)構(gòu)尺寸的部件象換能器和線軸元件。與基本流量計(jì)相比，在特定的安裝條件下，二次表會(huì)有相同的性能。這意味著系統(tǒng)組成元件生產(chǎn)的復(fù)現(xiàn)性和系統(tǒng)組裝的復(fù)現(xiàn)性會(huì)決定系統(tǒng)性能的再現(xiàn)性和可預(yù)知的準(zhǔn)確度。此外，還可以節(jié)省校準(zhǔn)費(fèi)用。
很顯然，這種方案還有一些缺陷。當(dāng)然從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，制造的“零”偏差是不切實(shí)際的。因此，必須有足夠的允許誤差。由于測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)分散，必須有統(tǒng)計(jì)學(xué)上要求的足夠數(shù)量的測(cè)試次數(shù)。由于到目前為止這種流量計(jì)生產(chǎn)的數(shù)量只有很少的幾百臺(tái)--要想有長(zhǎng)足的進(jìn)步，就必須有更大數(shù)量的流量計(jì)用很好的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)支持假設(shè)和理論計(jì)算。
4 測(cè)試結(jié)果
在過(guò)去生產(chǎn)了幾臺(tái)流量計(jì)（口徑從4″到16″）來(lái)證明流量計(jì)性能穩(wěn)定和制造工藝成熟。除了4″的，所有的流量計(jì)都有4個(gè)聲道。4″的流量計(jì)用了3個(gè)聲道。大多數(shù)這些流量計(jì)在常壓和高壓測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用了不同的壓力、溫度和測(cè)試氣體（空氣、天然氣）。由于這些新型的流量計(jì)也可以在常壓條件下測(cè)量，直到口徑大到10″的這些流量計(jì)至少在SICK公司自己的常壓測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行過(guò)測(cè)試。在2000年3月份到2002年6月份，在Groningen和SanAntonio對(duì)最初的原型和后來(lái)的預(yù)生產(chǎn)裝置進(jìn)行了測(cè)試。
在那個(gè)時(shí)期內(nèi)，流量計(jì)的性能和一系列的安裝效果對(duì)測(cè)試地點(diǎn)發(fā)生作用。此外，流量計(jì)對(duì)電子管噪聲的敏感性和過(guò)范圍性能（在4″管道上大到83m/s）也得到測(cè)試。對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析顯示出了對(duì)雷諾數(shù)的依賴性。現(xiàn)在軟件中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這種影響的校正。
這里提出的數(shù)據(jù)是這些測(cè)試的舉例，它顯示了有關(guān)流量計(jì)性能的一些有意義的方面。最初測(cè)試的時(shí)候沒(méi)有進(jìn)行雷諾數(shù)校正，后來(lái)對(duì)未修正的數(shù)據(jù)進(jìn)行了再加工。為了證明對(duì)流量計(jì)緊固件的正確校正，2002年6月的最后一個(gè)測(cè)試系列中，進(jìn)行了雷諾數(shù)的校正。這個(gè)測(cè)試系列覆蓋了特別低的流量點(diǎn)。結(jié)果表明，這種校正提高了低流量測(cè)試的性能，流量計(jì)正常工作（見(jiàn)低流量校準(zhǔn)）。 孔板流量計(jì)相關(guān)文章:孔板流量計(jì)原理 熱式質(zhì)量流量計(jì)相關(guān)文章:熱式質(zhì)量流量計(jì)原理 流量計(jì)相關(guān)文章:流量計(jì)原理
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