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 技术论文

超声家用煤气表述评

 T.Weberg
ULTrasonic Domestic Gas Meters-A Review
N Bignell

脉冲重复技术的问题
 
  此种技术计时具有足够的精密度,但亦产生一些另外的问题,要开发一种满意的流量计需更深入的讨论。在流量计被测流速对照流量的图形上有一种相对于直线的系统的周期性波动,这种特性产生的原因在于声脉冲在导管中传播的方式。
第一个平面波模式到达接收换能器,当第二个接收时这时第一个传播为一半的速度亦到达。当接收第三个平面波脉冲则第一个传播的三分之一速度和第二个传播的一半速度亦同时到达等等。
采用零线脉冲计时和存在另外信号会改变此零线的精确时间。如果一切保持恒定,但流量改变模式与平面波的相位关系,这就不要紧。例如对于一种速度模式Cm,气流速度增大有效下游流速为Cm+V,则改变到达时间△T,如
(3)
△T值随着流量而变从0到许多倍的信号周期,因此它改变模式与基本信号的相位关系,并对计时误差产生周期性影响,从直线偏移。
如果一个特定模式与平面波模式互相配合使特定的零线时间漂移 ,然后我们使平面波模式翻转,其时间漂移为 。如果我们把此两个误差相互相加,则他们可以抵消。这样的安排是可能发生的,因为我们可以传播正常与逆向脉冲。但是并非十分简单,因为我们希望能抵消一种模式更多的影响,误差相抵消的方案的原理如下
● 当基本信号与一个小得多的信号(慢模式)相互组合时会产生计时误差
● 如果不论基本信号还是极小信号(不是两者)互相倒相,误差有同样幅值,但符号相反
● 如果两者相反误差有同样幅值和符号
● 应用叠加原理,当彼此存在时信号作用是独立的
若我们能产生相等数目的相反符号的误差,则计时误差可以互相抵消。在每4次传播中用传播相反脉冲这个可以达到。这种方案的更详尽的解释见[9]。


流速与流量的关系
 

流量计计算气体的速度,但是到底什么是流速呢?在气流管道中它是形成一个气流速度范围,叫做流速廓形。对于层流速度是一个抛物线形状,而湍流是扁平形状,精确的形状随雷诺数而变化。对于大多数气体六来年国际最大雷诺数约为10000,因此流量计在湍流和层流的区域。两种情况的最大流速Vmax是沿着轴线,对于层流,其平均流速为0.5Vmax,对于湍流近似为0.75Vmax,但其精确关系随雷诺数而变化。因此如果沿着轴线测量流速在两个区域将得到不同的关系,比这个更坏的是由于湍流区的廓形与雷诺数有关。
在[10]中指出一个平面波在整个管道直径上相等采样,因此对于平面波其传播时间计算速度为气体的平均流速。一般有其他模式存在,这时最好从管道截面的不同部分采样,其误差的范围与波长和管径的关系有关。如果管道与波长相比大得多,超声为声束方式沿中央传播,这种情况得到的速度近似为Vmax,它将随着流动是湍流或层流与平均流速有不同的关系。

一种结构其信号的波长与管径相比足够大,使得它散播传播而不是一束在轴上传播,对测得的流速和从平均流量计算的流速进行比较,指出它比最大流速更接近平均值。对于湍流和层流实验得到的流速对照流量的拟合曲线的斜率的比值为0.989,理论值为1。如果沿轴线测量流速,则其结果近似为1.5。对于流量计可应用声速校正以减少误差。
对一些结构作专门的研究以保证仅传播平面波。把管道分为若干小单元,这样全部其它模式在换能器的频率下被截止。由于它与直径1/4次幂成反比,它的缺点是增大了压降。某些结构采用通常技术用增加管径的方式使气体减慢来恢复一些压头。
另一种管道结构用如图3a所示的非对称管道结构试图使高阶模式传播困难[11],另外一种管道结构例z如图3b所示抑制模式传播[12]。在这里缝隙有助于模式能量的排放大于平面波的。离轴声束可较好地产生高阶模式,如图3C[12]所示的管端偏斜至少可部分防止。
另一种产生最好的流速廓形平均值的技术是采用声束状信号直射横过流速廓形。除此类产品型式外,有时在圆形管道中横过对角线。
矩形管道,其长边约为短边的5倍如图4所示,采用一种在中部聚焦声束的专用反射器使声束从管道壁发射为W状。那里有一块1/4波片以防止V形反射。

 
可逆性和迟滞
 
在管道中超声脉冲的传播时间当没有流量时两个方向是相同的。有流体存在时,换能器产生的时间迟滞无论作为发射器或接收器必须是一样的。按照声学可逆性原理,如果换能器为线性和换能器连接的线路阻挠为零线无限大[10],则传播特性与换能器和流体介质无关。但是实际上严格地讲没有一个条件能够满足。只可能设计的其线路的阻挠达到可逆性程度的要求,同样地亦要求换能器无论作为发射器或接收器都有同样的阻挠。

由于当流量为零时两个方向的传播时间差必须很小,因此上下游传播线路的时间延迟不能有差别,这点是很重要的,可接受的最大的时间差为2纳秒。对于130KHZ信号,当采用零线计时时,其相位的稳定性为0.1°,这样对于两个分开的放大器在很宽的温度范围内工作要保持它是很严峻的。最好有尽量多的公用线路以免得发生延迟时间差,它会使零流速时测量恶化。在零流量时传播时间测量可能相等,但是静止仍产生误差,因为电子线路迟滞和换能器△T引起的迟滞,这样产生的流速测量误差为2△T/To,To为静止气体的传播时间。如果它保持恒定,这就不严重,但是To随气体种类及温度而变。△T为2μs时误差约为1%。从空气到热气体声速将发生变化,它大概变化1/4,即变化测量值的0.25%。
消除换能器及其电子线路引起的迟滞的一种办法是应用式(1)的第二项,即线的上面Tu-Td项由于它是公共的,迟滞差别相互抵消,线下面的TuTd项不能消除此迟滞,它写为
(4)
知道声速C和近似知道υ可以十分精确地计算,因为υ/C很微小。采用第三个换能器或由测量气体流速的换能器的边缘信号进行声速的分别测量[6],这种测量是基于多次反射,它仅采用时间差以抵消其迟滞。
 
结论
 由于要求小尺寸和低功耗家用煤气表面临着结构的问题。对达到工作特性应用的各种技术进行讨论。这种流量计的市场尚局限于联合王国(即英国)。由于这种流量计与传统的膜式流量计相比较造价格贵和设计上有一些困难而受到削弱。这些困难包括结构较复杂,苛刻的环境条件要求,计时要达到纳秒,测量方案需用计算机以及要求较低价格等。带有计算机板,它易于与现代世界和仪表连接,例如每天不同时刻的计数并易于与外部世界通讯以报告消耗量或故障,此特点尚未在市场上变得重要,支持超声家用煤气表发展停下来是愚蠢的,当电子仪器变得更先进和便宜,或许超声相关或多声道流量计将变得经济可行。将可能用超声技术来取代,如果产品价格连续下降,并增强对于水和能源网站的记录系统的积算能力,在将来很可能某些类型的电子流量计,或许为超声,将增加被接受的可能性。

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