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国内外气体超声波流量计现状


文章日期:2018-12-19|阅读数:


  气体超声波流量计的研究已经接近百年历史。***早开始于1931年Rutten发表的“利用声波测量管段流体流量”专利,随后相位差超声波流量计在20世纪30年代出现的商品化未获成功[12];然后基于频差法的MAXS0N流量计的出现,该流量计是真正是流量计能进入到实际应用中的标志。随后有大批科学家从事气体超声波流量计这方面的研究[13]。目前,在气体超声波流量计研究领域,德国、美国和荷兰等国家走在世界前列。国外单声道气体超声波流量计的量程比已经可以做到1:100,并且计量精度还可以达到1%。
  我国从20世纪60年代开始气体超声波流量计的研究,在80年代获得较大发展,然而测量精度仍然较低。目前,国内从事气体超声波流量计的高校主要包括合肥工业大学、华中科技大学、浙江大学、大连理工大学、天津大学等高校,取得了一批研究成果,但是研究水平与国外相比,还有进一步提升空间[14]。
  科学技术和工业生产的不断发展,对流量计量的精度提出了更高的要求,同时流量计本身的迅速发展,也对流量标准装置和标定方法的提出了新的要求。国际计量标准《A.G.AN0.9:MeasurementofGasbyMultipathUltrasonicMeters》制定并实施了气体超声波流量计量技术规范以及相关标准[16]。而我国相应的制定出了《JJG1030-2007超声波流量计检定规程》用于气体超声波流量计的型式评定[17]。
  我国现有的流量测量产品的规格、精度和可靠性和国外先进水平相比还有较大的差距,目前国内处于水平的流量计标定单位有:浙江省质量技术监督检测研究所拥有一套2000L以下动静态钟罩式气体流量标准装置[18];上海艾默生过程控制有限公司有一套高精度的标准标定装置;重庆工业自动化仪表研究所曾对涡街流量计的干标定进行研究探索h9]。
  国外在流量计标定的研究水平较高,美国流量标准研究所主要研究气体和液体流量装置,釆用称量法,它的检定装置是美国***高标准,装置的精度等级为0.13级德国物理实验室建造的液体流量标准装置,该装置的***大的流量为2100m3/h,且扩展不确定度高于0.02%[21],匈牙利FL0MET公司以科里奥利质量流量计作为标准表,能够获得了高于0.01%的重复性[221。
  为了提高气体超声波流量计的测量精度,本论文主要从整流器对流场优化、滤波算法对噪声信号的抑制、以及***后仪表系数修正算法三分方面进行研究。
整流器发展现状:
  在研究流场优化对气体超声波流量计的测量影响方面,目前认为主要包括弯曲管道、粗糙壁面条件、管道制造工艺、换能器的安装角度以及位置等对流场有重要影响[23]。在实际的应用中,加装整流器对流场优化具有重大意义。整流器对速度分布的校正,主要是解决流场旋涡流、局部二次流以及速度分布剖面的不对称性等问题t241,整流器可以分为以下三类。
(1)孔板式整流器为一块孔板,主要应用一个多孔网、或者一个及一个以上的多孔板,来减弱流场的不对称性,常用的孔板式整流器的大公司包括Elster、Sick、以及Daniel、以及1^;等[25]。如图1.2,1.3以及1.4所示。
图1 图2 图3


(2)管束式整直器,称为流动整直器,管束式的形态为长直型,主要目的是减小流体中的旋涡,常用的管束式整直器包含19管束流动整直器、AMCA整直器和Etoile整直器等[26],如图1.5所示。
(3)第三类整流器的形态多为组合装置,将一个紊流发生器和一个多孔网或者多孔板搭配使用,可以形成充分发展的流速分布形态。该装置的特点是将流场强制整理为特定的紊流状态,针对特定的紊流进行流场分析,用特定的算法来进行处理。
  上述整流器都具有各自的特点,在实际应用过程中,选用整流器依然缺乏足够的理论指导。
滤波算法发展现状:
  根据气体超声波流量计工作原理,可知流量计在运行过程中容易受到外界干扰影响。因此非常有必要研究滤波算法对传输过程中的信号进行过滤,减少流量值的波动。
  目前常用的滤波算法包括中位值滤波、算术平均滤波、滑动平均滤波算法、粒子滤波算法、小波分析、卡尔曼滤波算法等[27]。中位值滤波是取多次测量的中间值的方法,能够有效消除突变干扰因素。算术平均滤波算法就是取平均值,为了保证滤波效果,难以避免周期过长带来的结果滞后。滑动平均滤波法又称为递推平均滤波法,是一种按照先进先出原则,连续采样使得队列的长度一定,每次将新采样值加入队尾,并舍掉原来队首的数据,***后将队列中的数据进行算术平均,滑动平均滤波算法能较好的抑制周期性干扰,适用于高频振荡的系统,它的不足在于灵敏度低,并且对偶然性的脉冲性干扰的抑制作用不佳,不适用于脉冲干扰比较严重的场合。
  粒子滤波算法适应于大量数据量的滤波场景,计算量较大,对处理能力要求非常高,但是能智能处理,擅长于全局寻优[28]。小波分析算法是一种横跨时域和频域进行分析的算法,解决了Fourier变换的困难问题,具备良好的信号降噪能力[29]。卡尔曼滤波算法是一种基于***优估计值进行去噪的算法,具备良好的目标跟踪能力,由于一般的卡尔曼滤波涉及多维信息,含有矩阵运算,因此能真正应用于实时处理的研究比较缺乏[3°]。
仪表系数修正方法现状:
  流量计在进行实际标定过程中,由于多方面的因素,导致流量计测得的流量和实际流量不一致,因此需要对流量计的中的流量值进行修正补偿。目前来看,仪表系数修正方法主要包括以下三种:

1、固定系数法:
  对于不存在明显涡流、二次流等较为稳定的流场,可采用固定的k值进行仪表系数修正。该方法用于流量计出厂前,对流量计进行标定实验后,针对流量计测量范围进行进一步的细分,分别计算出多个流量点的仪表系数值k,随后将计算出的仪表系数k值重新烧写进流量计单片机中,使得流董计能够进行正确测量,从而完成整个流量计标定工作。
2、线性插值法:
  线性插值法是指插值函数为一次多项式的插值法方法,其在各插值节点上插值的误差为零,具有简单、方便的特点,比较适用于流场变化较小的场合,主要用于中小管径的流量计中。
  线性插值法的思路是通过选取若干特征流量点进行标定,统计各个流量计的流量信息以及仪表系数信息,线性插值法就是基于相邻的两个流量点及其对应的仪表系数值进行线性插值,计算出相应的系数。该方法能够反映温度、压力变化所带来的系数变化,适应于流量值波动小的情况。
3、多项式拟合法:
  多项式拟合法是指采用多项式去拟合所测量的仪表系数的方法,采集的点数越多,曲线拟合更接近,多项式的次数越高越收敛,但同时次数过高,会带来多项式变复杂,计算量增大,对于运行在流量计中单片机而言,运行时间边长和功耗都将变大。另外一方面由于气体超声波流量计在拐点流量前后的仪表系数变化非常大,但是在整个流量计的测量范围内,使用多项式拟合法,能够很好拟合仪表系数变化趋势,对多项式的系数精度要求非常高。


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