提高氣體超聲流量計測量精度的方法

今天為大家介紹一項國家發明專利——一種提高氣體超聲流量計測量精度的方法。該專利由天津大學申請，并于2019年1月8日獲得授權公告。

內容說明

本發明屬于流量測量技術領域，涉及氣體超聲流量計。

發明背景

超聲流量計作為一種新興的流量儀表近十幾年發展迅速，在大型的水利水電項目及天然氣貿易結算領域已有廣泛應用，其中時差法超聲流量計作為計量儀表應用最多。相比液體超聲流量計，氣體超聲流量測量的精度更難保證，涉及的技術問題更多，這與氣體介質的特殊性和流動的復雜性密不可分：氣體密度較小，分子間距較大，超聲波在傳播過程中衰減嚴重，因此接收信號不易檢測。加之氣體流動的湍流脈動較大，流動噪聲疊加在超聲波有用信號上，一方面加劇了傳播時間的檢測難度，另一方面降低了測量的穩定性。在這方面，學者們通過改進硬件電路設計，引入數字信號處理等方法，提高氣體超聲流量計的測量精度，取得了許多有益成果。

此外，氣體超聲流量計的上限流速可達30m/s～40m/s，相比于聲速340m/s，超聲波在氣體介質中傳播的非線性不能忽略，這將直接引起聲傳播軌跡和傳播時間的改變，進而造成測量誤差。已有研究成果表明，超聲波無論在均勻速度分布還是充分發展湍流速度分布下，聲傳播軌跡將偏離靜態下的直線，且流速越大軌跡偏離越嚴重，順、逆流傳播軌跡差別越大。在非均勻速度分布下，超聲波傳播軌跡將不再為直線，而目前時差法超聲流量計算公式中，假設了聲沿直線傳播，且軌跡不隨流速的改變和變化，順、逆流傳播軌跡相同。顯然這些假設與學者們針對實際流動情況獲得的結論不符，若仍采用傳統的流量計算公式，勢必會造成較大的測量誤差。

發明內容

本發明為解決目前傳統時差法氣體超聲流量計算公式與實際超聲波傳播情況不相匹配，特別是在中高流速下引起測量的非線性，造成測量誤差較大的問題，提供一種提高氣體超聲流量計測量精度的方法，通過對傳統流量計算公式進行修正，達到降低流量測量誤差，提高測量精度的目的。

技術方案如下：

一種提高氣體超聲流量計測量精度的方法，包括下列步驟：1）給定管道直徑，順流發射點A坐標，初始發射角度；逆流發射點B坐標，初始發射角度；迭代時間步長和最大迭代步數；2）確定迭代結束邊界：順流時，射線傳播到發射點B接收表面時停止追蹤；同理逆流時，射線傳播到發射點A接收表面時停止追蹤；3）基于射線聲學理論，利用計算機編程分別對順流、逆流情況進行射線追蹤，得到順流、逆流射線上的各個追蹤點坐標；4）分別計算超聲波實際傳播軌跡長度，即實際聲程，和各追蹤點切線方向與流動方向的夾角，即實際聲路角，得到順流實際聲程Sd和聲路角βd，逆流實際聲程Su和聲路角βu；根據求解迭代步數和時間步長，得到超聲波順、逆流實際傳播時間td和tu；5）代入時差法氣體超聲流量計算修正公式：

式中，vf為沿聲道的線平均流速計算值，乘以流速修正系數K即可得到管道平均流速計算值進而獲得流量。