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高精度小流量超声气体流量计|声道安装方式|工作原理

时间:2018/07/01来源:未知

  本章从应用于小管径小流量的高精度超声气体流量计的工作机理、测量精度的主要影响因素、温压补偿和曲面拟合四个方面来具体先容超声气体流量计的测量机理。 

 超声气体流量计的工作机理:
  超声信号通过气体介质时会载上气体的流速信息,分析该信号便能得到气体实时流速值,经过相关算法和修正得到实时气体流量值[23]。当被测气体介质通过管道的流量大小处于不同状态时,其流速状态也不同,超声信号通过气体介质的传播速度相比较于静止系统来说也处于不同状态,信号速度的变化量和气体流速信息相关。因此,通过获取该变化量从而得到气体流速信息,在已知内径的管道内转化为相应的气体流量值[24-27]。 

超声换能器工作原理:
  超声气体流量计流量测量系统中,测量精度的关键因素是超声传播时长的检测,因此超声信号的质量将直接影响系统的好坏。超声换能器可以实现电能和声能的转换,是完成超声信号发送和接收功能的器件,其内部结构原理如下所示[28]: 
图 2.1  换能器内部结构原理图
图 2.1  换能器内部结构原理图 

  如图 2.1 所示,将与超声换能器固有频率相当的脉冲电压加载至其压电晶体两电极上时,陶瓷片发生形变,从而引起机械谐振,实现电能到机械能的转化,该机械能沿换能器预设轨道传播时为超声波信号。反之,若两电极未加电压,信号到达超声换能器共振板时,由于逆压电效应,将超声波转化为电信号。一般情况下,只有少量声能被转换为电信号,约为声能的 0.0126%。因此设置信号发射和接收电路时,需要考虑到超声换能器的正常工作频率,同时需要考虑其最大峰值电压和共振阻抗等因素[29-31]。 

声道安装方式:
  一般情况下,对于简单的超声气体流量计而言,通常选择的超声换能器声道安装方法为直接透过法(Z 法)和反射法(V 法),复杂一点的会采用交叉法(X 法)和多声道法。安装示意图如下所示[32]: 
图 2.2  基本声道安装图
图 2.2  基本声道安装图 
   如图 2.2 所示,在所测气体流动方向与测量管道中心线不平行的时候,超声波传播方向受气体介质流动情况影响,容易引起测量误差。因此常使用反射法(V 法)来减小该测量偏差,V 法相较于 Z 法具有一定的优势,也更多地被人们采用。而有些情况中,声程回路中断时流量测量可能会受到限制,此时可以采用交叉法(X 法)来进行测量[33]。 
  上述 3 种声道安装方法都是检测气体线平均流速的,而管道内气体的面平均流速才能直接反映所测气体的体积流量,这之间需要进行相关系数修正。为了克服该问题,有的超声气体流量计使用多声道安装法[34]。目前,多声道安装方法及多声束反射法已经慢慢在超声流量测量中得到认可和应用,但此方法超声换能器安装复杂,且安装不合理时容易出现偏差,换能器声道互相干扰问题也需要解决,在基于小管径小流量的气体流量测量中使用具有局限性,因此声道安装方法还有待作进一步研究。 
  本系统针对的测量介质是小管径小流量的气体,其流量值偏低,相对而言测量精度要求较高。常规声道安装方法因无法得到足够的声程而影响测量精度,因此,本系统采用改进型平行单声道安装法,将一对性能一致的超声换能器分别安装在测量管道两端,安装示意图如下所示: 
图 2.3  本文超声换能器安装示意图

图 2.3  本文超声换能器安装示意图 

  采用如图 2.3 所示的改进型平行单声道安装法,超声波沿气体流动方向传播,这样可以增加声程,与传统声道安装法相比,受流速大小和分布引起的变化小,在一定程度上提高了传播时长的测量精度。

超声传播时长测量:
  本文设计的超声气体流量计是基于时差法原理的,其测量精度的关键在于超声传播时长的检测。超声传播时长是指超声信号从管道一端到达另一端所经过的时间值[35]。首先设发射端发出超声波的时刻为零基准时刻,一段时间后超声信号被接收端接收,通过分析该超声信号到达时刻而得到超声传播时长。本系统采用电平比较法检测超声传播时长,对理想的超声信号进行电平比较获取超声传播时长,原理图如下所示: 
图 2.4  理想超声信号电平比较原理图

图 2.4  理想超声信号电平比较原理图 
  如图 2.4 所示,1t 为超声传播时长,即代表零基准时刻到超声信号首波 E1 初始点之间的时间差值,2t 为实际测到的超声传播时长。实际情况下,很难得到与理想超声波形一致的超声信号,因此需要根据不同条件做一些改进处理才能准确捕获超声传播时长[36]。超声信号首波幅值与噪声幅值往往相差不大,采用首波电平比较法无法准确求取超声传播时长,因此需采用改进型电平比较法进行求取,上图取超声信号第四个波 E4 作为基准波。关于本文设计的超声传播时长检测方法具体细节将在后面章节先容。 

超声气体流量计测量原理:
  本文研制的超声气体流量计基于电平比较时差法,分析沿气体介质传播的超声信号可以得到正向和逆向传播时长,从而得到气体实时流速值,经过相关算法和修正便能得到实时气体流量值[37]。系统测量原理图如下所示: 
图 2.5  系统测试原理图
图 2.5  系统测试原理图 
  见图 2.5,MCU 控制信号通过开关切换电路实现超声信号的发送与接收控制。超声波在管道内沿气流正向、逆向传播,超声换能器 A 发送超声信号到达超声换能器 B 端的时间为正向传播时长,记为12t ,同时超声换能器 B 发射超声信号到达超声换能器 A 端的时间为逆向传播时长,记为21t ,则有[38]: 
  正向传播时长为: vcLt+=12                          (2.1) 
逆向传播时长为: vcLt−=21                          (2.2) 其中 L 表示管道长度, c 表示超声信号在无流动状态时气体中的声速, v 表示管道内气体流速。 由式(2.1)及(2.2)可得: 12tLvc =+                            (2.3) 21tLvc =−                            (2.4) 211212212)(tttt Lv−=                          (2.5) 式(2.5)中得到的是测量管道内气体的线平均速度v ,超声气体流量计的目的是测量管道内气体的流量信息,而气体在管道内的面平均流速才能更为准确的反映该信息,因此从原理上来说首先需要测出气体在管道内的面平均流速。通常情况下,管道内气体介质的线平均速度需要一定的系数修正才能较为准确的反映其面平均流速。为了提高气体流量的测量精度,设气体在管道内的面平均流速为Dv ,气体线平均速度 v 和面平均速度Dv 关系如下所示[38]: DvvK =                             (2.6) 式(2.6)中, K 为气体介质在管道内的流场修正系数。 则气体流量 Q 的计算公式如下: 21121221228)(4 t KtDtt LvDSv QDD−===ππ                 (2.7) 其中 S 为测量管道截面积, D 为管道内径。 
  一般的时差法采用正向、逆向超声传播时长21t 和12t 之差 ∆t 作为气体流量的计算变量,由于信号源的时延不一致,∆t 在反映21t 和12t 时损失了信号时延信息,因此采用如式(2.7)所示的公式才能更为准确的计算基于时差法超声检测原理的气体流量信息。 

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