基于超声波自动导航的高速气体流量测量方法研究

在气体流量测量领域，多声道超声波流量计目前发挥了很大的作用。但随着气体流速的增大，超声波传播的非线性影响表现明显，超声波流量计测量精度和测量稳定性下降，因此流量计的安装和调试较为复杂，多声道超声波流量计成本也高。本项目研究超声波自动导航方法，来提高高速气体流量测量精度。该方法通过超声波在管道内高流速气体中的传播轨迹方程，求解在流场分布影响下的超声波历经时间的积分公式，与实时测量的时间比较，控制导航直线步进电机，实时调整接收超声波探头的位移，使之为当前流速下接收探头的精确位置，再进行超声波历经时间的精确测量。并采用神经网络方法计算高速气体流场的多流层分布模型和分布系数，与管道内温度和压力测量值一起，加权融合出高速气体流速和流量测量值。并研制超声波自动导航高速气体流量仪表，在50mm、200mm和300mm管径高流速气体流量测量试验，验证该方法的正确性与实用性。该方法研制的仪表易安装，成本低。

目前超声波气体流量计流速测量范围在0~30m/s，且在15m/s以上时精度明显下降。本项目提出超声波自动导航方法，解决超声波非线性传播对流速测量精度的影响，保证在0~30m/s测量范围内的测量精度和稳定性，并拓宽流速测量范围到0~60m/s。.主要研究内容：. （1）管道内超声波传播特性及传播时间的计算模型研究.根据Snell定理，和Boone和Vermaas推导的声波传播轨迹方程，以及Prandtl的流速分布和系数修正的经验公式，研究流速在0~30m/s变化时，管道内超声波传播轨迹的非线性变化特性，计算得到接收换能器接收到的超声波位置偏差为0.015cm，解释了外夹式超声波流量计在15m/s以上超声波接收换能器寻波不稳定或测量得到的传播时间不准确的原因。同时进一步研究了30~60m/s管道内超声波传播轨迹的非线性特性，计算出接收换能器接收到的超声波位置的偏差值和超声波传播时间值，作为超声波自动导航算法所需的重要参数。. （2）超声波自动导航的高速气体超声波流量计研制.选用国产超声波换能器研制了单声道超声波流量计，作为本项目研究的技术基础。选用GE公司的超声波换能器，定制超声波自动导航外夹流量测量装置（一次仪表），采用DSP28335控制A3977SED步进电机控制器，完成自动导航超声波换能器位置的确定。采用TDC-GP21高精度测时电路、MSP430F5438及其超声波发射和接收电路，研制了高速气体超声波流量计二次仪表。. （3）实验室气体超声波流量计校准装置研究与实现. 为了满足高速气体超声波流量计的实验研究，与杭州云创仪器设备有限公司合作研制60m/s以上范围的双稳压并行标准仪表高速气体流量校准系统，系统采用空压机进气经过一级稳压罐稳压后，经三支路的标准仪表控制流速，再经过二级稳压罐稳压回合后，输送至标定管道，使仪表标定区域稳定控制到90m/s以上的气体流速值。系统构建20、30和50mm可选标定管道，采用工控机连接PLC实时采集管道流量，控制电动阀的开度，从而控制各个支路的流速。系统选用GE的PT878高精度气体超声波流量计作为标准仪表，精度可达0.5%。. 以上研究成果可指导高速气体超声波流量计的研制，建立的高速气体流量校准系统，通过不断地完善可向计量部门、相关企事业单位推广应用。