温压补偿型超声气体质量流量计

　　1　引言

　　目前,各种超声流量计均用来测量体积流量,但是在一些气体计量或贸易结算等方面,对气体进行质量流量测量更为普遍,而现有的各种直接式质量流量计又不具备超声测量的优点[1]。超声流量计经过改进后最有可能成为理想流量计。目前制约它成为理想流量仪表的几个因素包括:输出不是数字信号;流量方程式不能外推到未知领域;检测体输出信号不是质量流量信号[2]。当前,多组份低密度气体的质量流量测量是个难题,而对气体进行体积计量极易引起争议,需要在发挥超声流量测量优势的基础上进行干气体的质量流量测量。

　　2　超声气体质量流量计的理论基础

　　2.1　时差法

　　时差法是利用超声波在流动介质中传播时,超声波的一些声学特性随流速不同而变化的原理测量流量的。图1为夹装式时差法超声流量计测量原理图,分别为超声波的入射角、在管壁中的折射角、在被测流体中的折射角。

　　当超声波从换能器T1发出,顺着流体流动的方向传播时,声速会加快,而从换能器T2逆流发射时,声速减慢。超声波顺逆流传播时间分别为

　　由式(4)可知:当声道长度L固定时,v与Δt成正比。式(4)为传统的时差法超声流量计的流速方程式。

　　2.2　时差法算法的改进

　　设TL为平均传播时间,根据式(1)、式(2)可得:

　　式(9)和式(4)都是时差法超声流速方程式,但式(4)存在当被测流体的工作状况(压力、温度)发生变化时,这3项参数都要随之变化,尤其被测流体是气体时,因而给计算带来较大误差。这也是目前时差法超声流量计不能用来测量气体的原因之一。而式(9)则不同,θ1为声楔的入射角,是一个固定值,cL为声楔的纵波声速,它随工况变化而变化的程度远小于被测流体声速c的变化,且与温度呈线性关系[3],因而式(9)可外推到气体测量领域,故改进后的时差法为气体质量流量测量提供了更为精确的理论方程。

　　2.3　气体质量流量方程的确立

　　由理想气体状态方程可推得干气体密度公式:

　　式中:分别为工作状态和标准状态(293·15 K,101·32 kPa)下气体的密度,分别为工作状态下和标准状态下的绝对压力,Pa;T、Tn分别为工作状态下和标准状态下的热力学温度,K;Z、Zn分别为工作状态下和标准状态下的气体压缩系数。

　　由于当被测的气体确定后,均为一确定值(查表可知各自的数值),所以令

　　式(14)为超声波流量计干气体质量流量测量方程式。由式(14)可知,当测量出干气体的绝对压力、热力学温度,查出Z值后完全可以测量出气体质量流量。