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流量计的管理设计与信号系数标定的处理方法

来源:www.jsowyb.com 发布时间:2013-04-20 09:02:34

超声波流量计原理
  超声波流量计的原理是超声波在流体中传播时,其传播速度会受流体流速影响而变化,因此可以通过测量穿过流体的超声波信号来计算流体的流速。以图1所示的超声波流量计为例,换能器A和换能器B分别安装在管路的两侧,且从一侧换能器发射出的超声波经过楔块和管路传播后恰好进入另一侧换能器。管路中流体的流动方向为从左至右。由于流体的流动,超声波顺流传播时间td总是小于逆流时间tu,他们的时间差和流体的流速u成比例关系,如式(1)所示

图1 超声波流量计原理


    式中 c为超声波在水中的声速;L为超声波在流体中的传播距离(图中d点和e点间的直线距离);θ为传播路径(图中虚线d→e)与管路的夹角。

    式(1)是传播时间法的计算公式,可以看出,流体的线速度只和超声波在流体中的传播距离L,传播路径与管路的夹角θ,以及超声波的传播时间有关,而与介质无关。正因为传播时间法的介质无关性,超声波流量计可以使用水等流体进行标定,而在更换推进剂测量流速时保证同样的精度。通常推进剂的流量计计量的是质量流量

    Q=k·ρ·u·A   (2)

    式中 ρ为推进剂的密度;A为管路内部的横截面积;k为速度修正系数,应根据流量计管路内流速分布情况计算。理想湍流流动状态下,速度修正系数公式为

    式(3)、(4)为计算速度修正系数的理论公式,然而为了提高流量计的测量精度,采用标定的方法,通过查表法(Look Up Table LUT)记录流量计在不同流速范围的速度修正系数。

管路布局的优化设计

  通过上面对传播时间法的分析,以提高超声波流量计精度为目的,可得到管路的设计目标:

    1)超声波在流体中的传播距离L尽可能长,以增加超声波在流体中的传播时间,减小传播时间的测量误差。

    2)优化设计管路的内部布局,以使管路内的流场充分发展,减少管路内的扰动。

    综合以上两方面的要求,采用超声波换能器成直线型对射,且与流体流动方向一致的管路设计,如图2所示。为了设计上下游管路与测量管路的接口形式(即图2中上游管座和下游管座),采用计算流体动力学(CFD)的方法,使用Ansys Fluent软件分析了4种不同的管路布局的流速分布情况。这4种管路接口形式分别为直角型、45°锐角型、直线型和圆弧型,其中直线型为换能器内置,其余均为换能器外置。通过分析得出45°锐角型的管路内部流速分布比较均匀,因此采用45°锐角型的管路布局设计超声波流量计,如图3所示。


2.3 信号处理

    为了提高系统的测量精度,需要在电路延迟、信号处理速度等方面对电路进行优化设计。信号处理电路的组成如图4所示。系统使用1MHz的收发一体超声波换能器,在一个测量周期内,通过模拟开关的切换,两个超声波换能器交替发射激励脉冲和接收电压信号。处理电路使用LEMO连接器和超声波换能器连接。当一侧换能器发射激励脉冲时,计时电路开始计时;另一侧换能器接收到的信号,首先经过滤波器滤除高频噪声,然后通过斩波稳定比较器,经阈值比较得到停止计时时间。开始时间和停止时间的差值即为超声波的传播时间。计时电路的时间测量精度最高可达22ps,保证了传播时间的测量精度。传播时间经嵌入式微处理器(MCU)计算得到流量后,通过RS232或者RS485协议输出,供测控系统使用。


图4 信号处理电路

  信号处理电路采用5V电压供电,超声波的激励电压为3.3V,电路功耗小于1W,工作温度-20℃~+80℃,适于在轨加注地面模拟试验环境的使用。

    2.4 标定 

    不同流速情况下,管路内部流场发展情况不同,根据线速度计算得到的流量通常和真实流量有误差,因此在使用前需要对超声波流量计进行标定。标定在中国计量科学院进行,使用水流量国家基准装置提供稳定水流。流量测量在温度25℃,湿度59%RH的环境下进行,试验介质为清水,水温25.2℃,流量测量范围为0~150mL/s。按照流量计检定标准,测量点设为5个,分别为15mL/s、40mL/s、80mL/s、120mL/s、150mL/s。标定系数曲线如图5所示,可见超声波流量计在大流量(80~150mL/s)测量时,线性度较好。

图5 标定系数曲线

  在取得标定系数后,流量计根据分段线性插值法进行标定。标定后再次测量流量的误差,如图6所示。可见超声波流量计在全量程的测量误差均小于0.1%,且随着流量的增大,误差有减小的趋势。这一方面说明随流量增大,超声波传播时间差增大,时间测量误差减小;另一方面说明流量增大,流量充分发展,测量线速度越来越接近流体的平均流速,因此测量误差减小。


关键词:涡街流量计 电磁流量计 涡轮流量计

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