提高气体超声流量计测量精度的方法

今天为大家介绍一项国家发明专利——一种提高气体超声流量计测量精度的方法。该专利由天津大学申请，并于2019年1月8日获得授权公告。

内容说明

本发明属于流量测量技术领域，涉及气体超声流量计。

发明背景

超声流量计作为一种新兴的流量仪表近十几年发展迅速，在大型的水利水电项目及天然气贸易结算领域已有广泛应用，其中时差法超声流量计作为计量仪表应用最多。相比液体超声流量计，气体超声流量测量的精度更难保证，涉及的技术问题更多，这与气体介质的特殊性和流动的复杂性密不可分：气体密度较小，分子间距较大，超声波在传播过程中衰减严重，因此接收信号不易检测。加之气体流动的湍流脉动较大，流动噪声叠加在超声波有用信号上，一方面加剧了传播时间的检测难度，另一方面降低了测量的稳定性。在这方面，学者们通过改进硬件电路设计，引入数字信号处理等方法，提高气体超声流量计的测量精度，取得了许多有益成果。

此外，气体超声流量计的上限流速可达30m/s～40m/s，相比于声速340m/s，超声波在气体介质中传播的非线性不能忽略，这将直接引起声传播轨迹和传播时间的改变，进而造成测量误差。已有研究成果表明，超声波无论在均匀速度分布还是充分发展湍流速度分布下，声传播轨迹将偏离静态下的直线，且流速越大轨迹偏离越严重，顺、逆流传播轨迹差别越大。在非均匀速度分布下，超声波传播轨迹将不再为直线，而目前时差法超声流量计算公式中，假设了声沿直线传播，且轨迹不随流速的改变和变化，顺、逆流传播轨迹相同。显然这些假设与学者们针对实际流动情况获得的结论不符，若仍采用传统的流量计算公式，势必会造成较大的测量误差。

发明内容

本发明为解决目前传统时差法气体超声流量计算公式与实际超声波传播情况不相匹配，特别是在中高流速下引起测量的非线性，造成测量误差较大的问题，提供一种提高气体超声流量计测量精度的方法，通过对传统流量计算公式进行修正，达到降低流量测量误差，提高测量精度的目的。

技术方案如下：

一种提高气体超声流量计测量精度的方法，包括下列步骤：1）给定管道直径，顺流发射点A坐标，初始发射角度；逆流发射点B坐标，初始发射角度；迭代时间步长和最大迭代步数；2）确定迭代结束边界：顺流时，射线传播到发射点B接收表面时停止追踪；同理逆流时，射线传播到发射点A接收表面时停止追踪；3）基于射线声学理论，利用计算机编程分别对顺流、逆流情况进行射线追踪，得到顺流、逆流射线上的各个追踪点坐标；4）分别计算超声波实际传播轨迹长度，即实际声程，和各追踪点切线方向与流动方向的夹角，即实际声路角，得到顺流实际声程Sd和声路角βd，逆流实际声程Su和声路角βu；根据求解迭代步数和时间步长，得到超声波顺、逆流实际传播时间td和tu；5）代入时差法气体超声流量计算修正公式：

式中，vf为沿声道的线平均流速计算值，乘以流速修正系数K即可得到管道平均流速计算值进而获得流量。