超聲波飛行時間熱量表中流量測量的仿真和關聯(lián)

熱量表中發(fā)生的流量測量對于世界各地供熱公用事業(yè)公司能源測量要求的準確性至關重要。由于所有熱量表基本上都集成了流量累加器，因此模擬流量授權可以深入了解開發(fā)具有成本效益的流量測量解決方案所需的權衡。由于流湍流和閥芯體機械設計限制的影響，實際流速測量精度有限，只能通過平均、流量補償和多點校準接近仿真模型。

介紹

超聲波熱量表設計中流量測量的仿真和關聯(lián)對于熱量表開發(fā)過程的成功至關重要。流量測量為設計人員提供了對熱量表系統(tǒng)測量電子設備精度的有益見解，以及開發(fā)單個產(chǎn)品規(guī)格的方法。如果不知道用于測量儀表閥體中飛行時間聲路徑的電子系統(tǒng)的預期性能水平，設計人員只能猜測設計的潛在性能極限。這篇簡短的文章介紹了模擬飛行時間聲程測量的原理，然后使用儀表閥芯體的實際流量測量值對這種模擬進行了相應的確認。

超聲波飛行時間流量測量原理

典型的超聲波飛行時間熱量表閥芯體如圖1所示。

圖1.典型的超聲波飛行時間熱量表閥體。

對于每種管道尺寸，尺寸 L 和 D 都是唯一的。流閥芯體內(nèi)反射器表面的布置對于每個儀表制造商來說也是獨一無二的。因此，超聲波飛行時間原理基于聲音信號在水中的飛行時間。上游飛行時間比下游飛行時間長，因為水速有助于下游方向的聲信號并阻礙上游方向的聲信號。可以利用飛行時間的這種差異來確定流水的速度。

超聲波信號在下游方向的聲學飛行時間為：

（公式1）

超聲波信號在上游方向的聲學飛行時間為：

（公式2）

其中：
CO是水中
的聲速 v 是水的速度

從等式1中減去等式2并簡化結果，然后求解v，得到水的速度：

（公式3）

然后，通過了解閥芯體流量直徑的橫截面積來簡單地計算水的體積流量：

（公式4）

這種體積流量測量是確定熱量表系統(tǒng)中流量的基礎。

典型超聲波飛行時間熱量計的流量模擬

使用電子表格，可以計算飛行時間，然后使用公式1至4轉換為體積流速。通過模擬聲波飛行時間測量的時間數(shù)字轉換器電子誤差，可以創(chuàng)建系統(tǒng)精度圖。請注意，等式3顯示了對水中聲速的依賴性，其中C_Ois取決于水的溫度。熱量表需要對水流進行準確的溫度測量，以便計算消耗的能量。如果我們假設水溫為+70°C并且可以精確測量，則圖2顯示了上面所示的典型超聲波飛行時間熱量表的模擬流量圖。

圖2.典型超聲波飛行時間熱量計閥芯體的模擬流量精度。

從圖2的曲線可以看出，時間數(shù)字轉換器貢獻的20ps飛行時間誤差測量的模擬流速精度大大超過了規(guī)格誤差線。該仿真描述了流速精度，而不受流湍流和閥芯體機械設計限制的影響。系統(tǒng)中的任何其他錯誤都會增加此圖中所示的錯誤。該額外誤差的主要來源包括流湍流的影響和閥芯體中的機械設計限制。實際流速測量精度有限，只能通過樣品平均、累加和多點流量校準接近仿真模型的精度。

典型超聲波飛行時間熱量計的流量相關性

然后將典型的超聲波飛行時間熱量表連接到水流系統(tǒng)，以便時間數(shù)字轉換器電子設備可以實際測量通過儀表閥芯體的流量?？梢垣@取原始流速數(shù)據(jù)，該原始數(shù)據(jù)如圖3所示。該圖表示一個數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含以固定流速間隔采集的多個樣本。每個流速間隔采樣50次，以獲得閥芯體中測量誤差的統(tǒng)計分布。請注意，此圖側重于每分鐘 0 到 10 升的低速率區(qū)域。該圖顯示的誤差來源于閥芯體中的流動湍流和機械設計限制的影響。時間數(shù)字轉換器電子器件的精度不是導致該誤差的因素。

圖3.典型超聲飛行時間的無補償流速精度 熱量表閥芯體。

通過將典型的多點補償曲線應用于原始數(shù)據(jù)，可以提高圖3圖的精度。生成補償曲線所需的數(shù)據(jù)是從高度精確的流速參考中收集的。美國國家標準與技術研究院 （NIST） 使用重量法參考系統(tǒng)。這是一個帶有收集罐和分流裝置的稱重系統(tǒng)。該設備是校準系統(tǒng)的一部分，它將流動的水引導到收集罐中，同時觸發(fā)時鐘以確定收集時間。收集的水可以用體積或重量單位來確定。有關此校準方法的更多信息，請下載。用于獲得多點補償曲線的一組測量的校準技術基于可追溯到該NIST重量參考系統(tǒng)的參考流量計。

每個儀表的校準都是獨一無二的，通常由儀表制造商在發(fā)貨給最終客戶之前執(zhí)行。將 10 點補償曲線應用于圖 3 的曲線，以產(chǎn)生圖 4 的曲線。請注意，在圖4中，流速精度優(yōu)于±1%，低至每分鐘0.5升。通過將圖4的曲線與圖2的曲線進行比較，可以看出儀表的精度可以反映時間數(shù)字轉換器電子設備的精度。

圖4.典型超聲波飛行時間的補償流速精度 熱量表閥芯體。

結論

熱量表系統(tǒng)的仿真是一種強大的工具，使熱量表設計人員能夠準確預測閥芯主體機械設計的行為。此處顯示的模擬類型提供了對熱量表系統(tǒng)測量電子設備的授權精度的深入了解。典型超聲飛行時間熱量表的精度取決于許多變量，包括流動湍流的影響、閥芯體中的機械設計限制、采樣率以及飛行時間測量本身的精度。如果熱量表系統(tǒng)的測量電子元件的精度足夠，則可以使該變量變得不重要，并且可以補償整體儀表精度以滿足所需的規(guī)格。所描述的10點補償方法是所有熱量表制造商部署的一種非常常見的校準方法。

審核編輯：郭婷