超声波燃气表小流量计量的关键技术

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超声波燃气表是一种利用声学原理工作的非接触式测量仪表,以无压力损耗,适用范围广,测量精度高等优点受到大力的推广,是极具发展前景的气体测量仪表。超声波流量检测技术较早应用于液体测量当中,超声波气体流量计的应用约在二十世纪九十年代,但国内近年来才开始较为广泛的使用超声波气体流量计,并且在该领域的自主研发能力与国外先进水平有一定的差距,主要的困难体现在计量精度的提升方面。超声波的气体检测精度受限,尤其在小流量测量时的精度难以突破,导致最终的气体流量计量精度得不到提高,因此探究影响超声波气体流量计计量精度的因素变得十分必要。本文通过对超声波气体流量计的测量原理进行描述,介绍了时差法测量流量过程中的计算方法,解析了因为超声波换能器不匹配所产生的零点误差问题。此外,分析了在气体流量的实际测量当中,时差法计算得到的是气体的线流速,需通过修正系数转化成实际的面流速来进行最终的流量计算,修正系数精准确定需要考虑多方面的因素,如流道的具体设计,流场的流动状态,这包括了流场中温度、压强和湿度等因素影响。本文主要先通过CFD流场仿真软件进行实验,研究设计了矩形流道作为测量管体,并通过加装整流片实现了多层矩形流道的窄流道方案,使气体通过窄流道时完成整流,实验得到的结果是当整流片数量为3片时,修正系数的变化最为平缓,在层流状态下呈现较好的线性变化,可以得到更为准确的拟合方程,提高测量精度。进一步的实验还说明了整流片间距和整流片长度的改变都会引起修正系数不同程度的变化,选择合适的整流片数量和整流片长度将能够提高计量精度。在窄流道的设计基础上,针对相对湿度变化对气体流速产生的影响展开仿真计算研究,并在窄流道超声波燃气表的实际测量中验证了相对湿度改变会引起测量误差的变化。为了解决整流片因相对湿度改变而产生的粘附力变化,在整流片表面使用疏水疏油性能的纳米陶瓷氟涂料,改变接触壁面的材料性能后,得到的测量结果能够极大地减小误差的波动,避免了随相对湿度变化发生计量精度改变的情况。最后,理论分析了通过换能器参数匹配来减小零点误差的可能,并在搭建的实验平台上测量了因换能器不匹配而产生的零点误差,探究了随温度变化带来的零漂问题,为进一步提升超声波流量计精度作出更多的实际研究。
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