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解析BURKERT流量計(jì)時(shí)間測量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法研究

時(shí)間:2020-3-18閱讀:733
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    解析BURKERT流量計(jì)時(shí)間測量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法研究
    BURKERT流量計(jì)測量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)是非實(shí)流校準(zhǔn)的重要環(huán)節(jié),通過建立超聲波流量計(jì)時(shí)間測量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)裝置,實(shí)現(xiàn)對大口徑氣體超聲流量計(jì)傳播時(shí)間的非實(shí)流校準(zhǔn)。該文提出3種不同的超聲流量計(jì)傳播時(shí)間校準(zhǔn)方法,分析不同方法的影響因素,其次通過改變探頭間距離,對不同探頭間距時(shí)超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間的測量誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間的測量誤差隨距離變化,并確定利用標(biāo)準(zhǔn)聲速對超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間進(jìn)行修正的方法更為準(zhǔn)確,測量結(jié)果不確定度為0.2%。
    BURKERT流量計(jì)溫室氣體的減排越來越受到關(guān)注,地控制和減少溫室氣體的排放是當(dāng)前人類共同面對的巨大挑戰(zhàn)[1-2]。有研究報(bào)告指出,35%左右的CO2排放主要來自于電力及熱力[3-5]。2017年,碳交易市場全面開啟,批納入了電力[6]。對于個(gè)大型企業(yè),每年二氧化碳排放量可能達(dá)到幾,核算排放量數(shù)據(jù)差異1%,就會涉及幾百萬元的碳交易配額;因此,碳交易的準(zhǔn)確計(jì)量關(guān)重要。目前,國內(nèi)碳交易市場的碳排放量核算方法還是基于燃料端計(jì)算,對于使用固體燃料的企業(yè),由于固體燃料的不均勻性,會造成燃料端核算碳排放量數(shù)據(jù)不確定度較大。為了進(jìn)步提高碳核查的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度,電力聯(lián)合會正在組織驗(yàn)證煙道連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)作為碳核查方法的可行性。
    煙道碳排放量測量需要同時(shí)測量煙道中的二氧化碳濃度和煙道流量,通常煙道濃度測量具有較高的準(zhǔn)確度(RSD約為1%~5%),而煙道流量的測量準(zhǔn)確度往往偏低(RSD約為3%~50%)。由于煙道口徑較大,且具有高溫高濕、流動復(fù)雜、湍流度高等特點(diǎn),常規(guī)方法很難準(zhǔn)確測量;多聲道超聲波流量計(jì)是種非接觸式的高準(zhǔn)確度測量方法,通過測量管道內(nèi)多條線上的平均流速,使用高斯積分計(jì)算得到流量,其準(zhǔn)確度往往能夠優(yōu)于5%[7-8]。
    BURKERT流量計(jì)由于氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置口徑的限制,常規(guī)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對中大口徑煙道流量計(jì)都無法進(jìn)行校準(zhǔn);但超聲波流量計(jì)的測量具有清晰的物理模型,其聲道流速的測量通過幾何參數(shù)和時(shí)間參數(shù)測量獲得,因此可以通過對幾何參數(shù)和時(shí)間參數(shù)分別進(jìn)行校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)對聲道流速的校準(zhǔn)[9]。
    BURKERT流量計(jì)時(shí)間測量誤差主要來自于超聲信號在探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳播延時(shí)、電纜長度、硬件電路以及算法等[10]。每個(gè)探頭對,因?yàn)橹谱鞑豢赡?致,所以也會有所差異。部分流量計(jì)為了減少超聲傳播時(shí)間的測量誤差,會根據(jù)探頭匹配層、保護(hù)層的材質(zhì)和厚度,以及線纜的材質(zhì)和長度計(jì)算出個(gè)系統(tǒng)延時(shí)量,并對流量計(jì)的所有聲道使用統(tǒng)的修正值進(jìn)行修正[11]。然而,雖然這種修正方式可以減小超聲流量計(jì)超聲平均傳播時(shí)間測量誤差,但并不能確保其精度達(dá)到流量計(jì)所需標(biāo)準(zhǔn)。本文主要對超聲傳播時(shí)間的測量準(zhǔn)確度進(jìn)行研究,建立超聲流量計(jì)時(shí)間測量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)裝置,通過比較3種超聲時(shí)間測量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法,得到非常優(yōu)計(jì)算超聲時(shí)間測量誤差的方法,并計(jì)算該方法的測量不確定度水平。
    1超聲流量計(jì)非實(shí)流校準(zhǔn)
    由超聲波流量計(jì)的時(shí)差法測量原理[12-13]可知,利用超聲波信號在順流和逆流方向傳播時(shí)間的差異,能夠測量聲道線體的平均流速。超聲流量計(jì)線速度測量模型如下式所示:
    BURKERT流量計(jì)的聲道流速測量準(zhǔn)確度主要取決于幾何參數(shù)(L、?)和時(shí)間參數(shù)(t順、t逆)的測量準(zhǔn)確度。所以,在對超聲流量計(jì)進(jìn)行聲道速度非實(shí)流校準(zhǔn)時(shí),需要對超聲順流傳播時(shí)間t順、逆流傳播時(shí)間t逆進(jìn)行校準(zhǔn)。
    2超聲流量計(jì)時(shí)間測量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法
    2.1雙聲道長度法(方法)
    假設(shè)實(shí)驗(yàn)過程中,裝置中空氣溫度、大氣壓力基本保持恒定,超聲波聲速基本保持致,超聲信號在整個(gè)測量過程中,在不同的距離下,時(shí)間測量誤差Δt不變。如圖1所示,通過測量兩個(gè)不同探頭間的距離L1和L2,其中t1為探頭間距離為L1時(shí)流量計(jì)測得超聲信號傳播時(shí)間,而t1+Δt為超聲波在兩探頭間傳播的實(shí)際時(shí)間,用距離L1除以此時(shí)間量可得超聲波聲速大小。改變探頭間距離到L2,同樣可以得到相近的公式,就能夠計(jì)算得出超聲傳播時(shí)間測量誤差 Δt 的大?。?br />    超聲傳播時(shí)間校準(zhǔn)裝置原理圖
    2.2 雙聲道長度溫度補(bǔ)償法(方法二)
    在上述測量過程中,空氣溫度可能發(fā)生變化,導(dǎo)致聲速發(fā)生變化,為了消除在測量過程中溫度變化對實(shí)驗(yàn)帶來的影響,可以對式(2)進(jìn)行修正。假設(shè)超聲信號在整個(gè)測量過程中傳播時(shí)間誤差 Δt 相同,超聲波在空氣中傳播,干燥空氣中的聲速 [14] 為
    兩個(gè)方向的傳播時(shí)間測量誤差在同探頭間距離下基本吻合。當(dāng)探頭間距離改變時(shí),時(shí)間測量誤差 Δt 發(fā)生較大變化。當(dāng)超聲探頭間距離為 300~600 mm 時(shí),Δt 較為穩(wěn)定,當(dāng)超聲探頭間距離大于 800 mm 時(shí),Δt 變化 較大。在不同距離測量的 Δt 的平均值為?0.013 6 ms。
    4.2 雙聲道長度溫度補(bǔ)償法數(shù)據(jù)分析(方法二)
    根據(jù)方法二計(jì)算得到的超聲傳播時(shí)間測量誤差如圖 4 所示。可以看出按照方法二得到的時(shí)間測量誤差的數(shù)據(jù)和方法較為致。將兩種方法的超聲傳播時(shí)間測量誤差數(shù)據(jù)繪制在同圖中進(jìn)行比較,如圖 5所示。
    方法二超聲傳播時(shí)間測量誤差
    雖然方法二增加了溫度修正,考慮到溫度變化對聲速的影響,但結(jié)果表明, 兩種方法計(jì)算得到的時(shí)間測量誤差 Δt 在相同的距離下基本是致的。說明溫度變化對測量結(jié)果 Δt 的影響不大。此外,兩條曲線的致性表明,在不同探頭間距離下得到的時(shí)間測量誤差的差異不是由于溫度變化造成的。
    方法和方法二超聲傳播時(shí)間測量誤差比較
   BURKERT流量計(jì)單聲道長度法(方法三)
    BURKERT流量計(jì)根據(jù)方法三計(jì)算得到的超聲傳播時(shí)間測量誤差如圖 6 所示。
    BURKERT流量計(jì)超聲傳播時(shí)間測量誤差隨著距離的增加總體上是增加的,當(dāng)探頭間距離為 800~1 000 mm 時(shí),Δt 有比較小的反向變化。在不同距離測量的 Δt 的平均值為?0.001 4 ms,與前兩種方法的平均值不致。對比接近探頭間距離時(shí)的 Δt,其數(shù)值是變化的。因?yàn)?Delta;t 是變化的,所以方法和方法二的假設(shè)不成立。
    BURKERT流量計(jì)方法三根據(jù)實(shí)測溫度和壓力擬合得到標(biāo)準(zhǔn)聲速,實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)行多點(diǎn)溫度壓力測量,取平均值,消除空間溫度和壓力不均勻性的影響,使用 REFPROP軟件獲得標(biāo)準(zhǔn)聲速準(zhǔn)確度高。

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