气体超声波流量计用降噪整流装置的研究_技术研究

摘要

介绍用于气体超声波流量计的降噪整流装置的结构和原理以及在降噪和整流方面的试验。通过测试调压器产生的超声波噪声对超声波流量计的干扰情况来验证降噪整流装置的降噪效果。

摘　要：介绍用于气体超声波流量计的降噪整流装置的结构和原理以及在降噪和整流方面的试验。通过测试调压器产生的超声波噪声对超声波流量计的干扰情况来验证降噪整流装置的降噪效果。通过分别检定安装和未安装降噪整流装置的超声波流量计的相对误差和重复性来验证降噪整流装置的整流效果。试验数据表明：降噪整流装置可以有效减少干扰源超声波噪声的影响，可以有效解决超声波流量计受管道内紊乱气流影响所导致的准确度变差的问题，安装降噪整流装置的超声波流量计的重复性要明显好于未安装降噪整流装置的超声波流量计的重复性。

关键词：超声波流量计；降噪；整流；准确度；相对误差；重复性

Study on Denoise Rectifier Used for Gas Ultrasonic Flowmeter

Abstract：The structure and principle of the denoise rectifier used for gas ultrasonic flowmeter as well as tests for noise reduction and rectification are introduced．The noise reduction effect of the denoise rectifier is verified by testing interference of ultrasonic noise produced by pressure regulator to uhrasonic flowmeter．The rectification effect of the denoise rectifier is verifled by determining the relative error and repeatability of ultrasonic flowmeter with or without the denoise rectifier respectively．Experimental data show that the denoise rectifier can effectively reduce ultrasonic noise from the interference source．and can effectively solve the problem of low accuracy of the ultrasonic flowmeter which is caused by the influence of disturbance airflow in the pipeline．The repeatability of ultrasonic flowmeter with the denoise rectifier is better than that of ultrasonic flowmeter without the denoise rectifier．

Keywords：ultrasonic flowmeter；noise reduction；rectification；accuracy；relative error；repeatability

1　概述

近年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理、适用于不同场所的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用涉及到各个领域，大到大型输气站和门站、工业用户等，小到加工作坊、餐厅、酒店等，正日趋成为流量测量的首选仪表。目前超声波流量计主要分为单声道流量计和多声道流量计。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适应性差，测量准确度不易控制。由于调压器等影响，管道内容易产生超声波噪声进而影响超声波流量计的正常工作。孙金明等介绍了调节阀噪声的衰减措施以及对调节阀噪声导致的超声波流量计故障案例进行了分析^[1]。为了解决管道内气体流态不稳定导致的计量不精确和超声波噪声对超声波流量计的干扰等问题，山东思达特测控设备有限公司研制出了基于时差法单声道超声波流量计用降噪整流装置，并获得实用新型专利证书^[2]。

降噪整流装置是基于流体在管道内的分布状态特点和超声波的测量原理进行研制的，本降噪整流装置的功能为降噪和整流。降噪是指能够使得管道内的超声波噪声在通过本装置后，被有效削弱甚至阻断。整流是将管道内不规则气流变为规则气流或把旋转的气流变为直线流动的气流。

2　降噪整流装置的结构及原理

本降噪整流装置的降噪整流效果是用AS系列以时间差齿为算法的单声道超声波流量计(以下简称AS超声波流量计)进行测试的。这种以时间差法为算法的单声道超声波流量计的测量实际为测量管道内流体的速度。由于管道内从中心到管壁流体的流场是不一样的，流速电是不一样的，因此管道内流场的分布直接影响着管道内流体的速度。在现场安装中，由于弯头、汇管和变径管的影响，下游的流场会不稳定，为了保证管道内流场的稳定，超声波流量计上游就需要安装降噪整流装置，使得流场更加稳定。

降噪整流装置由壳体和内部组件构成，其中内部组件包括一级整流元件、补偿元件和二级整流元件等^[2]。降噪整流装置结构见图1。

气体由入口进入，经导流锥进入一个比所测量的管道标准口径尺寸更大的扩容气室。不管进口前端气体如何分布，在扩容气室内将进行重新分布，然后经过一级整流元件对气体进行降噪和初级整流。经过一级整流元件后，气体在标准气室内的密度会变得很均匀，在此处的气体流场基本定型。经过一级整流元件后气体进入补偿元件，在补偿元件实现对气体流场的再次分布。补偿元件与二级整流元件之间有缓冲气室。气体经过补偿元件后经缓冲气室到二级整流元件，在二级整流元件对气体进行二级整流，经过二级整流后，流场稳定。在各种流场不稳定的环境下使用本降噪整流装置能够使流场高度一致。

3　降噪整流装置的测试

本试验的验证主要分为三个部分。第一部分，对本降噪整流装置的降噪效果进行测试。第二部分，通过对比超声波流量计的相对误差对本降噪整流装置的整流效果进行测试。第三部分，通过对比超声波流量计的重复性对本降噪整流装置的整流效果进行测试。

3.1　降噪效果测试

试验中，用来产生超声波噪声的设备是调压器。在气体流动的过程中，调压器两侧的压力差越大所产生的超声波噪声越大。本测试的方法是：在一个容积为5m³的缓冲罐中充入空气，使其内部达到500kPa左右的绝对压力，缓冲罐的一侧接有DN 50mm的管道，管道上依次接有蝶阀、压力表1、调压器、降噪整流装置、AS超声波流量计、压力表2和球阀。为了模拟实际使用现场，特约束了它们之间的距离。蝶阀与压力表1相距10D(D为管道公称直径)，压力表1与调压器相距15D，调压器与降噪整流装置相距5D，降噪整流装置与AS超声波流量计直接连接，超声波流量计与压力表2相距10D，压力表2与球阀相距10D，测试系统见图2。选用的AS超声波流量计规格为DN 50mm，始动流量为0.37m³／h，流量范围为3～150m³／h。

管道上的蝶阀作为缓冲罐排气的总开关。用球阀来控制排气量的大小。测试的流程为：把球阀和蝶阀全部关闭，向缓冲罐里充空气并达到绝对压力为500kPa左右，为保证缓冲罐内压力在500kPa左右，整个试验过程由空气压缩机对其持续充空气。先打开蝶阀，让管道内与缓冲罐内的压力均衡，此时缓缓打开球阀，流量计上会显示流量，通过调节球阀的开度来调节流量的大小。在调节流量从小到大的过程中，记录下各流量值、压力表1的值和压力表2的值。

试验过程分两种情况完成：一是超声波流量计配带有降噪整流装置，二是超声波流量计没有配带降噪整流装置。试验表明：没有配带降噪整流装置的超声波流量计，工况流量达到约13m³／h，压力表1的绝对压力值为503kPa左右且压力表2的绝对压力值为114kPa左右时，由于超声波噪声的影响，超声波流量计出现了不计量报警状态。配带降噪整流装置的超声波流量计，工况流量达到约87m³／h，压力表1的绝对压力值为503kPa左右且压力表2的绝对压力值为114kPa左右时，由于超声波噪声的影响，超声波流量计出现了不计量报警状态。相同条件下，流速越大则噪声越大。通过数据对比可以看出，当安装相同的调压器，减压比基本相同的情况下，安装有降噪整流装置的超声波流量计在出现不计量报警状态时的流速远远大于不安装降噪整流装置的情况。这说明降噪整流装置具有降噪能力。

3.2　整流效果测试

同一生产厂家的超声波流量计，声道越多，计量准确度越高，性能越可靠，对于单声道超声波流量计而言，其更易受紊乱气流的影响。现场安装使用的管道结构不同，流体流场不同，对超声波流量计的性能也有影响。为了更加精确地测试降噪整流装置的整流效果，需分别进行超声波流量计的误差测试和重复性测试。

3．2．1对AS超声波流量计的相对误差测试

在管道内气体经过弯道或者阀门后，流场会有大的改变，如果后面直接连接超声波流量计，则会使得测量的误差偏大。在各类阀门中，蝶阀对流场影响比较大，因此在试验中选择了蝶阀代表各类阀门对气体流场的影响。为了研究各种弯道和蝶阀对超声波流量计的影响，特做了如下试验进行测试。测试是在山东思达特公司校验实验室标准表校验装置上进行的。此标准表校验装置是经过市计量部门认证的装置，准确度等级为0.5级。

试验的方法为：在标准表校验装置上被检表的位置安装好待测的仪器后，按照校验流量计的方法分别对qmin、0.1qmax、qt、0.4qmax、0.7qmax和qmax的流量点进行校验。qmin为流量计的标称最小流量；qmax为流量计的标称最大流量；qt为分界流量，即流量范围被分割成“高区”和“低区”的分界点的流量，“高区”的准确度等级为流量计的标称准确度等级，“低区”的准确度等级为流量计的标称准确度等级的2倍。

试验的流程为：先在被检表位置安装降噪整流装置和AS超声波流量计，在无干扰源的情况下进行检定；检定完成后在降噪整流装置的上游安装上干扰源，按照以上流量点再次进行检定。检定完毕后统计数据，进行分析，具体数据见表1。测试了常见的5种干扰源，分别为：90°弯头、180°弯头、异面180°弯头、半开的蝶阀、全开的蝶阀。

经过分析，安装有降噪整流装置的超声波流量计在所测的5种干扰源环境下相对误差在±0.5％左右，由于本AS超声波流量计的准确度等级为1.5级，其最大允许的相对误差为±1.5％，因此，安装降噪整流装置后，干扰源将不影响本AS超声波流量计的准确度。

为了使试验结果更有对比性和说服力，对没有安装降噪整流装置的AS超声波流量计进行了相同的试验。试验完毕后对数据进行了统计，具体数据见表2。通过数据分析，没有安装降噪整流装置的AS超声波流量汁在以上5种干扰源的环境下测量出来的相对误差偏离非常大，最大达到了-76.11％左右。因半开的蝶阀能使气流的方向倾斜向管壁，对AS超声波流量计的计量结果影响最为突出。在检定qmax流量点时因受斜向气流的干扰，AS超声波流量计出现了不计量报警的异常状态。在超声波流量计的电子系统中，能有效剔除由混响、电磁干扰等引起的计量误差的算法不能消除机械情况下的干扰引。由此说明降噪整流装置在整流方面起着决定性的作用。

3．2．2对AS超声波流量计的重复性测试

由于喷嘴校验装置的自身重复性很好，这样喷嘴校验装置就能体现流量计的重复性这一参数。通过测试超声波流量计的重复性从而对降噪整流装置的整流效果的测试是在山东思达特公司校验实验室喷嘴校验装置上进行的。本装置是经过国家计量部门检定合格的装置，准确度等级为0.3级。

测试方法为：在喷嘴校验装置的被检表位置安装配有降噪整流装置的As超声波流量计，然后对其进行检定。根据超声波流量计口径的大小，测试了 DN 25、32、40、50、80、100、150和200mm共8种口径的配有降噪整流装置的AS超声波流量计。根据口径的不同，统计各个流量点的重复性，见表3。

为了使得试验结果更具有对比性，把各个口径的AS超声波流量计拆下降噪整流装置后按照所校验流量点进行检定，并统计各个流量点的重复性，见表4。

据国家质量监督检验检疫总局发布的超声波标准JJG 1030—2007《超声流量计》的要求，的重复性不能超过相应准确度等级规定的最相对误差绝对值的1／5，即作为1.5级的AS流量计的重复性，除分界流量点(qt)以下的应满足重复性≤0.6％外，其他流量点应满足≤0.3％。流量计的重复性越小，性能越好。析表3和表4中的数据，安装降噪整流装置的As超声波流量计的重复性比不安装降噪整流装置的超声波流量计的重复性要小很多，达到0.5级AS超声波流量计的重复性的要求。试验证明降噪整流装置的整流效果在超声波流量计的重复性方面也能体现。