气体超声波流量计精度影响因素

    在使用气体超声波流量计进行气体流量测量实验时，流场中流速分布、温度、压力对实验结果的影响较大，必须予以考虑。本节内容将对这三种影响因素进行分析讨论。
    1)流体流速分布的影响    理想中的流场状态是指管道中流体流动方向都平行于管道的轴向，不存在径向流动。实际中，由于气体属于粘性介质，流动时气体与管壁、气体与气体之间会存在相互作用，使得管道中的流速分布与理想情况大相径庭。
   管道中的流动状态一般分为两种:层流和湍流，它们与流体的雷诺数Re密切相关。当Re<2300时，流体处于层流状态，管道内各层的流速与管道轴线平行，轴线流速大，管壁处流速小，流场的整体分布为抛物线形状，示意图如图2.10所示。

图2.10层流示意图
    当Re>4000时，流体处于湍流状态，流体在沿轴向流动的同时，还存在横向的脉动，各流层之间存在动量的交换，此时靠近管道轴线位置的流速比较均匀，而在靠近管壁的位置，流速急速下降，流速分布图如图2.11所示。

图2.11湍流示意图

雷诺数的计算公式如式2.14所示：
    式中，P为流体密度，d为管道直径，v为流体流速，刀为粘性系数。当工作环境确定时，流体密度、管道直径以及粘性系数都是固定的，只有流体流速v是变化的，因此流体流动状态主要跟流速相关。当v比较小时，流体处于层流状态，而当v大于临一界值后，流体则处于湍流状态。    流速计算公式2.10计算的流速结果为声道位置的流速，而由于流场的流速分布特性，线流速并不能完全反映管道内流体的实际流速，因此需要对流速结果进行校正，校正公式为:

式中，V为声道流速，K为流速修正系数，VA为流体的实际流速。当流体处于层流状态时，K的经验公式为：

    其中，在使用修正系数K的经验公式时必须保证超声波流量计的安装比较理想，测量管段的前后都有足够长直管段。否则，管道内的流动状态过于复杂，上述经验公式难以使用。通常情况下超声波流量计的上游需要有大于等于10D的长直管段，下游必需要有至少5D的长直管段。
   2)温度和压力的影响    由流速计算公式2.10可知，流体流速与超声波传播速度有着密切的联系，而超声波在气体中传播时速度会受到温度的影响。超声波传播速度与温度之间的关系为：

    式中，c为超声波传播速度，T为温度。由公式2.18可以发现，超声波的传播速度受温度的影响很大，温度每变化1度，超声波波速要变化约0.6m/s，因此在进行流速计算时必须对温度进行补偿。
   压力对气体流量测量的影响主要表现在压力变化时气体的压缩因子会发生改变，在进行流量计算时需要引入气体压缩因子z进行校正，其校正公式如式2.19所示:

    从式2.19可以看出，随着温度升高，压缩因子变大，随着压力变大，压缩因子变小，因此使用压缩因子修正气体流量时，必须考虑压力和温度的影响。

小结：
  本章首先对超声波流量计的不同测量原理进行介绍，并讨论了它们在气体流量测量时的优缺点;之后对比分析时差法中渡越时间的常用计时方法，重点介绍了本论文采用的互相关算法计时原理;接下来对多声道超声波流量计的测量原理和超声波换能器安装方式进行概述;***后，对影响超声波气体流量计工作的因素进行讨论。