熱量表中發(fā)生的流量測(cè)量對(duì)于世界各地供熱公用事業(yè)公司能源測(cè)量要求的準(zhǔn)確性至關(guān)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(quán)可以深入了解開發(fā)具有成本效益的流量測(cè)量解決方案所需的權(quán)衡。由于流湍流和閥芯體機(jī)械設(shè)計(jì)限制的影響，實(shí)際流速測(cè)量精度有限，只能通過(guò)平均、流量補(bǔ)償和多點(diǎn)校準(zhǔn)接近仿真模型。

介紹

超聲波熱量表設(shè)計(jì)中流量測(cè)量的仿真和關(guān)聯(lián)對(duì)于熱量表開發(fā)過(guò)程的成功至關(guān)重要。流量測(cè)量為設(shè)計(jì)人員提供了對(duì)熱量表系統(tǒng)測(cè)量電子設(shè)備精度的有益見解，以及開發(fā)單個(gè)產(chǎn)品規(guī)格的方法。如果不知道用于測(cè)量?jī)x表閥體中飛行時(shí)間聲路徑的電子系統(tǒng)的預(yù)期性能水平，設(shè)計(jì)人員只能猜測(cè)設(shè)計(jì)的潛在性能極限。這篇簡(jiǎn)短的文章介紹了模擬飛行時(shí)間聲程測(cè)量的原理，然后使用儀表閥芯體的實(shí)際流量測(cè)量值對(duì)這種模擬進(jìn)行了相應(yīng)的確認(rèn)。

超聲波飛行時(shí)間流量測(cè)量原理

典型的超聲波飛行時(shí)間熱量表閥芯體如圖1所示。

圖1.典型的超聲波飛行時(shí)間熱量表閥體。

對(duì)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(duì)于每個(gè)儀表制造商來(lái)說(shuō)也是獨(dú)一無(wú)二的。因此，超聲波飛行時(shí)間原理基于聲音信號(hào)在水中的飛行時(shí)間。上游飛行時(shí)間比下游飛行時(shí)間長(zhǎng)，因?yàn)樗儆兄谙掠畏较虻穆曅盘?hào)并阻礙上游方向的聲信號(hào)。可以利用飛行時(shí)間的這種差異來(lái)確定流水的速度。

超聲波信號(hào)在下游方向的聲學(xué)飛行時(shí)間為：

（公式1）

超聲波信號(hào)在上游方向的聲學(xué)飛行時(shí)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(jiǎn)化結(jié)果，然后求解v，得到水的速度：

（公式3）

然后，通過(guò)了解閥芯體流量直徑的橫截面積來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算水的體積流量：

（公式4）

這種體積流量測(cè)量是確定熱量表系統(tǒng)中流量的基礎(chǔ)。

典型超聲波飛行時(shí)間熱量計(jì)的流量模擬

使用電子表格，可以計(jì)算飛行時(shí)間，然后使用公式1至4轉(zhuǎn)換為體積流速。通過(guò)模擬聲波飛行時(shí)間測(cè)量的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器電子誤差，可以創(chuàng)建系統(tǒng)精度圖。請(qǐng)注意，等式3顯示了對(duì)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(duì)水流進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度測(cè)量，以便計(jì)算消耗的能量。如果我們假設(shè)水溫為+70°C并且可以精確測(cè)量，則圖2顯示了上面所示的典型超聲波飛行時(shí)間熱量表的模擬流量圖。

圖2.典型超聲波飛行時(shí)間熱量計(jì)閥芯體的模擬流量精度。

從圖2的曲線可以看出，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器貢獻(xiàn)的20ps飛行時(shí)間誤差測(cè)量的模擬流速精度大大超過(guò)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(jī)械設(shè)計(jì)限制的影響。系統(tǒng)中的任何其他錯(cuò)誤都會(huì)增加此圖中所示的錯(cuò)誤。該額外誤差的主要來(lái)源包括流湍流的影響和閥芯體中的機(jī)械設(shè)計(jì)限制。實(shí)際流速測(cè)量精度有限，只能通過(guò)樣品平均、累加和多點(diǎn)流量校準(zhǔn)接近仿真模型的精度。

典型超聲波飛行時(shí)間熱量計(jì)的流量相關(guān)性

然后將典型的超聲波飛行時(shí)間熱量表連接到水流系統(tǒng)，以便時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器電子設(shè)備可以實(shí)際測(cè)量通過(guò)儀表閥芯體的流量。可以獲取原始流速數(shù)據(jù)，該原始數(shù)據(jù)如圖3所示。該圖表示一個(gè)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(gè)樣本。每個(gè)流速間隔采樣50次，以獲得閥芯體中測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)分布。請(qǐng)注意，此圖側(cè)重于每分鐘 0 到 10 升的低速率區(qū)域。該圖顯示的誤差來(lái)源于閥芯體中的流動(dòng)湍流和機(jī)械設(shè)計(jì)限制的影響。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器電子器件的精度不是導(dǎo)致該誤差的因素。

圖3.典型超聲飛行時(shí)間的無(wú)補(bǔ)償流速精度 熱量表閥芯體。

通過(guò)將典型的多點(diǎn)補(bǔ)償曲線應(yīng)用于原始數(shù)據(jù)，可以提高圖3圖的精度。生成補(bǔ)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 使用重量法參考系統(tǒng)。這是一個(gè)帶有收集罐和分流裝置的稱重系統(tǒng)。該設(shè)備是校準(zhǔn)系統(tǒng)的一部分，它將流動(dòng)的水引導(dǎo)到收集罐中，同時(shí)觸發(fā)時(shí)鐘以確定收集時(shí)間。收集的水可以用體積或重量單位來(lái)確定。有關(guān)此校準(zhǔn)方法的更多信息，請(qǐng)下載。用于獲得多點(diǎn)補(bǔ)償曲線的一組測(cè)量的校準(zhǔn)技術(shù)基于可追溯到該NIST重量參考系統(tǒng)的參考流量計(jì)。

每個(gè)儀表的校準(zhǔn)都是獨(dú)一無(wú)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(diǎn)補(bǔ)償曲線應(yīng)用于圖 3 的曲線，以產(chǎn)生圖 4 的曲線。請(qǐng)注意，在圖4中，流速精度優(yōu)于±1%，低至每分鐘0.5升。通過(guò)將圖4的曲線與圖2的曲線進(jìn)行比較，可以看出儀表的精度可以反映時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器電子設(shè)備的精度。

圖4.典型超聲波飛行時(shí)間的補(bǔ)償流速精度 熱量表閥芯體。

結(jié)論

熱量表系統(tǒng)的仿真是一種強(qiáng)大的工具，使熱量表設(shè)計(jì)人員能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)閥芯主體機(jī)械設(shè)計(jì)的行為。此處顯示的模擬類型提供了對(duì)熱量表系統(tǒng)測(cè)量電子設(shè)備的授權(quán)精度的深入了解。典型超聲飛行時(shí)間熱量表的精度取決于許多變量，包括流動(dòng)湍流的影響、閥芯體中的機(jī)械設(shè)計(jì)限制、采樣率以及飛行時(shí)間測(cè)量本身的精度。如果熱量表系統(tǒng)的測(cè)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(bǔ)償整體儀表精度以滿足所需的規(guī)格。所描述的10點(diǎn)補(bǔ)償方法是所有熱量表制造商部署的一種非常常見的校準(zhǔn)方法。

審核編輯：郭婷