第22卷第3期增刊 仪 器 仪 表 学 报 2001年6月
多通道超声波气体流量计的原理及标定
梁军汀 卢 杰 朱士明 (同济大学声学研究所 上海 200092)
摘要 本文简要介绍了多通道超声波速差法气体流量计的原理、性能,及利用调温调湿风洞对直径为D700mm的大口径超声波气体流量计进行喷嘴法标定的原理、过程及测量结果。关键词 超声波 气体流量计 标定
PrinciplesandCalibrationsoftheMultipathUltrasonicGasFlowmeter
LiangJunting LuJie ZhuShiming (InstituteofAcoustics,TongjiUniversity,Shanghai200092)
Abstract Theprinciplesandcharacteristicsofthemultipathultrasonicgasflowmeterusingvelocitydeferencemethodareintroduced.Andtheprinciples,stepsandresultsofcalibrationusingwindtunnelfortheultrasonicgasflowmeterwithlargediametertube(D700mm)arealsopresentedinthispaper.
Keywords Ultrasonicwave Gasflowmeter Calibration
道内换算成标准工况下的气体流量Q可表示为:
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]
图1 流量计原理图
20
Q=・(-)・・
42cosHt1-S1t2-S2TP0
式中,t1、t2分别为超声波顺向传播声时和逆向传播声时,S1、S2分别为超声顺向传播和逆向传播时电路、电缆及换能器等产生的声延时,P、T分别为管道中实测的气体压力和温度,P0、T0分别为标准工况下气体的压力和温度。
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。
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,,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)
第3期增刊多通道超声波气体流量计的原理及标定
131
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。
在喷嘴测量段,喷嘴隔板前后的静压差由同济大学声学所自行研制的YC-2型数字化超声波微压差计测量,其测量精度经北京中国计量科学研究院标定,在0～500mm水柱范围内为±0.03%。
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。
5 长颈喷嘴法标定结果
在管道内流速分别为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、
5.0、6.0、7.0m/s的情况下,对超声波气体流量计进行了正反向流速下的5次重复标定实验。
不同流速下用长颈喷嘴及超声流量计多次重复测量的结果如表1所示。
表1 长颈喷嘴及流量计多次重复测量结果比较表
管道内流速测量喷嘴流量/超声喷嘴流量/超声
量平均值、标准误
平均值(m/s)流量的极大值流量的极小值
差
0.5610.990±0.0050.9960.985-0.5710.983±0.0080.9960.9770.9990.993±0.0040.9990.990-1.0130.990±0.0010.9920.9882.0620.988±0.0030.9930.984-2.0540.990±0.0030.9940.9873.0430.995±0.0040.9980.990-3.0620.999±0.0011.0000.9973.9770.992±0.0020.9930.989-3.9890.992±0.0040.9970.9874.8890.993±0.0010.9940.992-4.9070.993±0.0040.9960.9865.9040.997±0.0020.9990.994-5.9180.997±0.0031.0020.9936.9240.999±0.0021.0010.997图2 长颈喷嘴法流量测量装置示意图
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%4.2 长颈喷嘴法流量标定系统装置
系统框图如图3
所示。
[3]
。
从表1可以看出,超声波气体流量计的重复性很好,在不作任何修正的情况下,-7.0～7.0m/s流速范围内16个流速测量点的超声实测流量和标准喷嘴流量的偏差在0～+1.6%之间,标准误差小于0.8%。若根据标定结果对流量计进行修正,误差在±0.8%以内。
6 结 论
由超声波气体流量计的静态标定及喷嘴法动态标定的实验结果表明:超声波气体流量计的稳定性、重复性均很好,有巨大的应用前景。 参考文献
图3 长颈喷嘴法流量标定系统示意图
图中,风机由变频调速电机驱动,通过变频调节电机转速或喷嘴打开的个数可以调节流量。喷嘴隔板上
共有6个直径为D130mm的长颈喷嘴,由于喷嘴流速限制在15～36米/秒之间,因此风量范围为700～10000米/小时,对于D700mm管道,折算到管道内的3
1 梁军汀,等.微机化超声波气体流量计的研制.声学技术,
1995,14(2):82～86.
2 MeasurementofGasbyMultipathUltrasonicMeters.Re-portNo.9,AmericanGasAssociation,June1998.3 风机盘管组性能试验台鉴定报告.同济大学供热通风与空
气调节实验室,1993.
第22卷第3期增刊 仪 器 仪 表 学 报 2001年6月
多通道超声波气体流量计的原理及标定
梁军汀 卢 杰 朱士明 (同济大学声学研究所 上海 200092)
摘要 本文简要介绍了多通道超声波速差法气体流量计的原理、性能,及利用调温调湿风洞对直径为D700mm的大口径超声波气体流量计进行喷嘴法标定的原理、过程及测量结果。关键词 超声波 气体流量计 标定
PrinciplesandCalibrationsoftheMultipathUltrasonicGasFlowmeter
LiangJunting LuJie ZhuShiming (InstituteofAcoustics,TongjiUniversity,Shanghai200092)
Abstract Theprinciplesandcharacteristicsofthemultipathultrasonicgasflowmeterusingvelocitydeferencemethodareintroduced.Andtheprinciples,stepsandresultsofcalibrationusingwindtunnelfortheultrasonicgasflowmeterwithlargediametertube(D700mm)arealsopresentedinthispaper.
Keywords Ultrasonicwave Gasflowmeter Calibration
道内换算成标准工况下的气体流量Q可表示为:
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]
图1 流量计原理图
20
Q=・(-)・・
42cosHt1-S1t2-S2TP0
式中,t1、t2分别为超声波顺向传播声时和逆向传播声时,S1、S2分别为超声顺向传播和逆向传播时电路、电缆及换能器等产生的声延时,P、T分别为管道中实测的气体压力和温度,P0、T0分别为标准工况下气体的压力和温度。
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。
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,,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)
第3期增刊多通道超声波气体流量计的原理及标定
131
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。
在喷嘴测量段,喷嘴隔板前后的静压差由同济大学声学所自行研制的YC-2型数字化超声波微压差计测量,其测量精度经北京中国计量科学研究院标定,在0～500mm水柱范围内为±0.03%。
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。
5 长颈喷嘴法标定结果
在管道内流速分别为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、
5.0、6.0、7.0m/s的情况下,对超声波气体流量计进行了正反向流速下的5次重复标定实验。
不同流速下用长颈喷嘴及超声流量计多次重复测量的结果如表1所示。
表1 长颈喷嘴及流量计多次重复测量结果比较表
管道内流速测量喷嘴流量/超声喷嘴流量/超声
量平均值、标准误
平均值(m/s)流量的极大值流量的极小值
差
0.5610.990±0.0050.9960.985-0.5710.983±0.0080.9960.9770.9990.993±0.0040.9990.990-1.0130.990±0.0010.9920.9882.0620.988±0.0030.9930.984-2.0540.990±0.0030.9940.9873.0430.995±0.0040.9980.990-3.0620.999±0.0011.0000.9973.9770.992±0.0020.9930.989-3.9890.992±0.0040.9970.9874.8890.993±0.0010.9940.992-4.9070.993±0.0040.9960.9865.9040.997±0.0020.9990.994-5.9180.997±0.0031.0020.9936.9240.999±0.0021.0010.997图2 长颈喷嘴法流量测量装置示意图
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%4.2 长颈喷嘴法流量标定系统装置
系统框图如图3
所示。
[3]
。
从表1可以看出,超声波气体流量计的重复性很好,在不作任何修正的情况下,-7.0～7.0m/s流速范围内16个流速测量点的超声实测流量和标准喷嘴流量的偏差在0～+1.6%之间,标准误差小于0.8%。若根据标定结果对流量计进行修正,误差在±0.8%以内。
6 结 论
由超声波气体流量计的静态标定及喷嘴法动态标定的实验结果表明:超声波气体流量计的稳定性、重复性均很好,有巨大的应用前景。 参考文献
图3 长颈喷嘴法流量标定系统示意图
图中,风机由变频调速电机驱动,通过变频调节电机转速或喷嘴打开的个数可以调节流量。喷嘴隔板上
共有6个直径为D130mm的长颈喷嘴,由于喷嘴流速限制在15～36米/秒之间,因此风量范围为700～10000米/小时,对于D700mm管道,折算到管道内的3
1 梁军汀,等.微机化超声波气体流量计的研制.声学技术,
1995,14(2):82～86.
2 MeasurementofGasbyMultipathUltrasonicMeters.Re-portNo.9,AmericanGasAssociation,June1998.3 风机盘管组性能试验台鉴定报告.同济大学供热通风与空
气调节实验室,1993.