一種天然氣能量計量超聲氣體流量計
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圖4-傳播時間測量的原理
聲道在斷面上的布置結構對流量計的性能有很重要的影響。已經(jīng)有很多不同聲道斷面的文章發(fā)表，典型的為3-6個聲道，其中應用了直接傳播和反彈聲道技術。
對于TotalSonic流量計（圖5），選擇使用了4聲道斷面布置。這一點與Whyler[3]建議的非常相似。
圖5-TotalSonic流量計聲道斷面圖
? SICK公司（見后面）發(fā)展起來的高精度測量時間的換能器技術不需要擴展聲道長度。這種測量在總不確定度的貢獻小于10%--在大口徑時就更??；
? 不采用彈性聲道的技術消除了管內的反射點。這一點可以改變它的一些特征，比如因雜質或管壁粗糙程度而產生了附加不確定度的特征。表體的機械加工被簡化了，因而降低了生產成本；
? 反射的避免節(jié)約了聲能。這使得可以減小電源輸入，允許在所有的操作條件下包括大氣壓、氣體低密度（H2）或高聲能衰減（CO2）等運行更大口徑的流量計；
? 這種特殊的聲道斷面布置結構可以很好地補償（但不測量）由于旋渦流引起的測量偏差。這一點通過高壓、常壓下大量試驗已得到證實；
? 采用4聲道，并且具有補償旋渦流功能的聲道布置結構的流量計，比采用6聲道，但可以獨立測量旋渦流補償?shù)牧髁坑嫻?jié)省了成本。這一點使得超聲技術的成本比較接近于機械技術。
3.3 換能器技術
眾所周知，換能器是超聲流量計的核心和起決定性作用的部件。大多數(shù)現(xiàn)在應用的換能器采用所謂聲學匹配層來與氣體阻抗和固體表體匹配。
SICK/ABB的換能器技術基于全金屬設計，不使用任何匹配層（圖6）。這種阻抗的匹配通過完全用鈦制造的聲能變壓器的特別設計來實現(xiàn)。設計工藝基于兩個要點：
1.20年的換能器設計經(jīng)驗用于控制發(fā)射的高熱可燃性氣體流量計量系統(tǒng)中；
2.強大的理論支持--所有的換能器使用FEM方法和電機轉換技術，從理論上建立了模型。
圖6-換能器
? 換能器小型化使得前面描述的聲道斷面布置結構適用于小口徑（3″和4″），這樣流量計可以造的很緊湊；
? 傳播時間的高精度測量使得60°安裝成為可能--這使得換能器端口或換能器突入流體的部件造成的紊亂得以減小；
? 金屬聲能變壓器具有高效性--使得流量計可以在常壓和高到100bar的高壓下用同一種類型的換能器操作；
? 理論模型允許對設計參數(shù)進行有效的控制。這使得壓力和溫度不依賴于換能器性能，不需要進行補償；
? 不使用匹配層和溫度敏感膠的作法允許系統(tǒng)在高達200℃的溫度下操作；
? 換能器機械制造的高再現(xiàn)性保障了傳播時間測量的高再現(xiàn)性。這是換能器在不改變流量計基線的情況下變換的前提；
? 很高的信號強度和寬波使得可以在非常高的氣體速度下測量（可以允許40-80m/sec，決定于流量計管徑大?。?；
? 使用高頻率防止電子管等安裝設備的噪聲妨礙。
有好幾種工具可用來設計換能器和檢查結果。作為一個例子在參考文獻[4]中介紹了干涉測量法。
3.4 聲速測量
測定的聲速正比于傳播時間差。兩個傳播時間倒數(shù)求和可以得到聲速。
另一種獨立的自診斷功能可以產生于流量計，不需要使用氣體組成的數(shù)據(jù)?；诠艿纼葲]有溫度分配的假設，所有聲道的聲速會被限于一個誤差限內，比如0.1%。
3.5 流量計結構
流量計的結構要使得超聲技術應用的比現(xiàn)在更普遍，這是超聲流量計（專利沒有限定結構）總體設計目標。這些想法包括：
? 使用要簡單化，包括校準；
? 跟其它測量技術（比如渦輪流量計）有相同的應用基礎和接口連接；
? 不同外徑結構，沒有外在換能器纜線；
? 在不降低準確度的前提下，生產技術使得成本降低。
流量計表體使用鋼鑄件制成，這會降低生產和測試費用。精確加工保證很高的再現(xiàn)性。通常與焊接有關的收縮、扭曲變形、不圓整被完全避免了。流量計表體整體化組裝，把所有的換能器和纜線放入封套內。
圖7-去掉外殼的4個換能器和纜線側視圖
對所有4″管徑，流量計表體的底座長度為3D（D為管道內徑，下同）。這一點與其它的流量計比如渦輪流量計是一致的。因而流量計可以在相同的安裝位置使用，甚至取代原先安裝在那里的渦輪流量計等測量設備。
操作4聲道流量計所需要的所有電子元件，用于信號計算和流量計通信，都安裝在頂部的小盒子里。這種界面用于在一側與流量計兼容（雙脈沖輸出），在另一側與前面敘述的先進系統(tǒng)兼容（與前面描述的系統(tǒng)Modbus界面連接）。
流量計提供以下數(shù)據(jù)：
? 2個獨立的雙向體積計數(shù)器，2個誤差體積計數(shù)器；
? 實際條件下的體積流量；
? 管道速度、聲速；
? 狀態(tài)參數(shù)（只針對連續(xù)運行）。
所有的電器都是低電源設計，允許太陽能供電，包括太陽能面板適配的控制電路。
流量計的生產資質符合ATEX和CSA要求，并遵守歐洲PED（壓力設備指導）和U.S.DOT102條例。歐洲許多國家的型式批準在關聯(lián)交易中可以使用，并且在北美的西南研究院（SwRI）作了檢定測試。
3.6校準
今天，許多流量計在對外銷售時附帶大氣壓下的校準證書。在商業(yè)應用場合，常常需要價格昂貴的高壓校準--有時包括完全的流量計運轉。
TotalSonic流量計提供了在大氣壓條件下校準的可能性（如果用戶接受的話）作為那個時刻的標準校準。在操作壓力下對基線進行雷諾數(shù)校正，數(shù)據(jù)可以用計算機計算出來，并且存儲在系統(tǒng)文件中。這造成了費用上的真正節(jié)省。
AGANO9號報告中[6]描述的程序不是真正的校準，只是把影響流量計準確度的各參數(shù)調整到它們的實際值。
對前面描述的與流量計性能有關的系統(tǒng)中各個組成部分，應用最新的最成熟的生產技術，在不久的將來，將會產生真正的“干?！奔夹g。如果我們對系統(tǒng)各個組成部分都能成功地復現(xiàn)基本流量計的參數(shù)--比如測定傳播時間的換能器和電子電路，再比如決定幾何結構尺寸的部件象換能器和線軸元件。與基本流量計相比，在特定的安裝條件下，二次表會有相同的性能。這意味著系統(tǒng)組成元件生產的復現(xiàn)性和系統(tǒng)組裝的復現(xiàn)性會決定系統(tǒng)性能的再現(xiàn)性和可預知的準確度。此外，還可以節(jié)省校準費用。
很顯然，這種方案還有一些缺陷。當然從技術和經(jīng)濟的角度來看，制造的“零”偏差是不切實際的。因此，必須有足夠的允許誤差。由于測量結果的數(shù)據(jù)分散，必須有統(tǒng)計學上要求的足夠數(shù)量的測試次數(shù)。由于到目前為止這種流量計生產的數(shù)量只有很少的幾百臺--要想有長足的進步，就必須有更大數(shù)量的流量計用很好的實測數(shù)據(jù)來支持假設和理論計算。
4 測試結果
在過去生產了幾臺流量計（口徑從4″到16″）來證明流量計性能穩(wěn)定和制造工藝成熟。除了4″的，所有的流量計都有4個聲道。4″的流量計用了3個聲道。大多數(shù)這些流量計在常壓和高壓測試設備上進行實驗，使用了不同的壓力、溫度和測試氣體（空氣、天然氣）。由于這些新型的流量計也可以在常壓條件下測量，直到口徑大到10″的這些流量計至少在SICK公司自己的常壓測試設備上進行過測試。在2000年3月份到2002年6月份，在Groningen和SanAntonio對最初的原型和后來的預生產裝置進行了測試。
在那個時期內，流量計的性能和一系列的安裝效果對測試地點發(fā)生作用。此外，流量計對電子管噪聲的敏感性和過范圍性能（在4″管道上大到83m/s）也得到測試。對收集到的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析顯示出了對雷諾數(shù)的依賴性?，F(xiàn)在軟件中可以實現(xiàn)對這種影響的校正。
這里提出的數(shù)據(jù)是這些測試的舉例，它顯示了有關流量計性能的一些有意義的方面。最初測試的時候沒有進行雷諾數(shù)校正，后來對未修正的數(shù)據(jù)進行了再加工。為了證明對流量計緊固件的正確校正，2002年6月的最后一個測試系列中，進行了雷諾數(shù)的校正。這個測試系列覆蓋了特別低的流量點。結果表明，這種校正提高了低流量測試的性能，流量計正常工作（見低流量校準）。 孔板流量計相關文章:孔板流量計原理 熱式質量流量計相關文章:熱式質量流量計原理 流量計相關文章:流量計原理
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