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脉动小流量的超声波流量计测量特点研究
发布日期:2019/8/5 10:50:36
脉动小流量超声波流量计目的是测量一种精密加油装置,其加油方式为每秒开关16-30次的脉动流,不锈钢管,管径8m,管内压力5Mpa,流体是一种有Du物质和蒸馏水的混合物,不导电,平均流量范围10-120g/s,是通过对开关脉冲的占空比来调节平均流量,准确度为±1号。根据要求研究、设计了一套声测量系统,采用双探头同时发收的时差法超声测流原理,每250s测量出一个流量数据,可以描绘40Hz的脉动流量曲线,在达到各项技术指标要求情况下,力求经济,实用。

1.脉动流的特点
脉动流以开关方式工作,通过对开关脉冲的占空比来调节平均流量。一般机械式流量计如浮子式流量计涡轮流量计等无法满足脉动工作要求电磁流量计只能测量导电流体的流速, 超声或激光流量计响应速度也不够,因此,只能考虑超声时差法测量脉动流。常用的时差法超声流量计是采用LL、P及LEFM等原理设计的,其优点很突出,比某些其它流量计响应快,但仍然很难满足本项目脉动频率的要求。因此,本文对超声时差流量计采取了特殊设计,满足了项目要求
以开关方式工作的脉动流,其流速的低限可到零,而且平均流量越小零流速时间段越长,因此对低流速及零流速的测量(零点稳定)是关键之一。流动的脉动周期、流量(流速)的开关变化过程与平均流量的关系,以及对流(流速)的采样率,是通过理论及实验研究确定的。
 
2。超声波流量计超声时差法测流方案
2.1根据技术指标要求设计方案
用超声波法在直径8mm的不锈钢管外测量流量很困难,而且长期稳定性难保证。为了保证测量的准确度,扩大超声波顺逆流传播的时差,釆用图1方案。根据现场允许的条件,选用标准r管,管长270mm,管的两端用透声的不锈钢片密封,TR:、TR是超声波换能器,通过透声片发射/接收超声波,换能器与流体隔离,保证安全、安装、维修方便
2。2测量原理
由图1可知顺逆流传播的时差为:△T=L/(C-y)-L/(c+y)
由此可以确定,流速为:v=L△T/2T+T-
式中L为两个透声片间距;c为流体中声速;v为管中平均流速;为声波顺流传播时间;P为声波逆流传播时间流体静止时,则T=T-=To,20°C时,To约为180μs;v=1m/s时,ΔT约为240ns。低流速时,如v=0.01m/s时,时差仅为2.4ns
2。3工作频率的选取
φ8mm不锈钢管内超声波传播可视为一刚性边界的圆柱形波导管。由于两端的超声换能器可近似认为关于轴心对称,所以管中只存在零阶贝塞耳函数的振动模式。即F01=3.832×C/2派a(式中a为波导管的半径),由此可以确定该管中的截止频率约为226kHz。为了提高测量准确度,工作频率选用2.5Mz,在管中会形成高阶的振动模式,对接收信号造成干扰。但是,波导两端侧面有开口连通被测管道,因此破坏了高阶振动模式的传播条件。实际测量的结果表明高阶振动模式没有明显存在。
2。4电路设计
电路采用两路同时收/发方式工作,发射周期为250s,每次发射得到一时差信号。双通道可以快速、准确测量微小时差,但是两个通道在工作中参数变化不会完全一致,对时差测量会有影响,可以通过元件选择、工艺设计及软件及时校正予以解决。如图1所示对逆流声信号人为加入固定延迟,对此时差脉冲进行精密积分,将时差测量转化为电平测量,引人固定延时,相当于加人时差偏置,可以克服各种门电路的前后沿对零时差检测带来的非线性影响,提高了对时差检测的线性度和灵敏度。实现了对时差脉冲宽度的高分辩率的连续测量,同时还可以测量流速的方向,设计电路如何克服动静态的零点漂移,及其自动校正是本项目的关键的问题。
 
3.实测结果及结论

超声波流量计换能器的设计、电路及软件功能,使得时差测量的分辩率达到<1s,可以准确的获得时差数据,从而测量出流量及流动的脉动曲线。图2为仪表的误差曲线,是用称量法进行标定,实测结果表明,在应用的流速范围内仪表线性相关度达0.996,流速大于0.2m/s时准确度为±18,0.2m/B以下可以修正,达到了技术指标要求。
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