基于神经网络的多声道超声气体流量计研究

　　1　引　　言

　　超声流量计已逐步应用到油气、天然气等易燃易爆气体的储藏、输送和分配的流量计量中。尤其是在天然气计量方面,超声流量计有其独到的应用优势。在大口径气体流量测量中,主要采用时差法多声道超声流量测量方法[1-2]。在较为成熟的多声道超声流量测量方法中,主要采用高斯数值积分的方法确定声道的分布位置和求解加权系数。但在高斯数值积分方法中,针对不同流态流体的流量测量,需要通过标定来修正加权系数。本文在高斯数值积分方法的基础上,完成采用线性神经网络方法解决免修改权系数的流量测量方法研究,并完成适用于大管径气体流量测量的多声道超声气体流量测量管段参数的计算、流量计的机理建模。

　　2　弦向声道多声道超声气体流量计工作原理

　　2.1　多声道超声气体流量计结构

　　多声道超声气体流量计的组成主要包括:超声流量计主体(即测量管段部分)、压力变送器、智能式温度变送器和流量计算机等4部分,如图1所示。

　　2.2　测量管段结构

　　在气体流量测量中,由于气体的黏性较小,一般处于湍流状态。而在湍流状态下在轴线周围的流场分布复杂,脉动现象较为严重[3]。在现场管道安装条件下,旋转流和涡流现象较为常见[4-5],为了提高超声气体流量计的抗干扰能力,多采用交叉对称偶数个声道的布置结构。考虑超声波传播效率问题,超声换能器嵌入安装在测量管段上。以4交叉声道超声气体流量计为例,4个声道分别布置在不同的流层上,由工作频率为200~250 kHz的超声换能器对构成4个声道流量测量管段。以下理论分析中,选择管径D =300mm,各个声道与轴线方向的夹角φ=60°,如图2所示。

　　2.3　多声道超声气体流量计数学模型

　　按照干净待测气体设计,多声道超声气体流量计采用时差法工作原理[4-5]。如图2所示,第i个弦向声道沿轴线方向的平均流速为:

　　tiU、tiD分别为第i个弦向声道中超声波逆流和顺流传播的时间测量值。弦向声道测量管段中,沿轴线方向的平均流速线积分公式为:

　　选择在测量管段偏离轴线的ri(i =1,2,3,…)处分布相应的声道,式(2)的数值积分公式为:

　　式(3)即为多声道超声气体流量计在断截面上的平均流速(即瞬时流速)。

　　体积流量计算公式为:

　　3　四声道神经网络超声气体流量计建模

　　3.1　换能器位置的确定[6]

　　式(2)变换为:

　　假设x=r/R,选择ρ(x) =1时,即:f(x) =R2(1-x2) ^1/2 V(Rx),式(5)写成: