解析BURKERT流量計時間測量準確度校準方法研究

    解析BURKERT流量計時間測量準確度校準方法研究
    BURKERT流量計測量準確度校準是非實流校準的重要環(huán)節(jié)，通過建立超聲波流量計時間測量準確度校準裝置，實現(xiàn)對大口徑氣體超聲流量計傳播時間的非實流校準。該文提出3種不同的超聲流量計傳播時間校準方法，分析不同方法的影響因素，其次通過改變探頭間距離，對不同探頭間距時超聲波流量計傳播時間的測量誤差進行校準。試驗結果表明：超聲波流量計傳播時間的測量誤差隨距離變化，并確定利用標準聲速對超聲波流量計傳播時間進行修正的方法更為準確，測量結果不確定度為0.2%。
    BURKERT流量計溫室氣體的減排越來越受到關注，地控制和減少溫室氣體的排放是當前人類共同面對的巨大挑戰(zhàn)[1-2]。有研究報告指出，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]。對于個大型企業(yè)，每年二氧化碳排放量可能達到幾，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，碳交易的準確計量關重要。目前，國內碳交易市場的碳排放量核算方法還是基于燃料端計算，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。為了進步提高碳核查的數(shù)據(jù)準確度，電力聯(lián)合會正在組織驗證煙道連續(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確度（RSD約為1%~5%），而煙道流量的測量準確度往往偏低（RSD約為3%~50%）。由于煙道口徑較大，且具有高溫高濕、流動復雜、湍流度高等特點，常規(guī)方法很難準確測量；多聲道超聲波流量計是種非接觸式的高準確度測量方法，通過測量管道內多條線上的平均流速，使用高斯積分計算得到流量，其準確度往往能夠優(yōu)于5%[7-8]。
    BURKERT流量計由于氣體流量標準裝置口徑的限制，常規(guī)氣體流量標準裝置對中大口徑煙道流量計都無法進行校準；但超聲波流量計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)和時間參數(shù)測量獲得，因此可以通過對幾何參數(shù)和時間參數(shù)分別進行校準來實現(xiàn)對聲道流速的校準[9]。
    BURKERT流量計時間測量誤差主要來自于超聲信號在探頭內部結構的傳播延時、電纜長度、硬件電路以及算法等[10]。每個探頭對，因為制作不可能*致，所以也會有所差異。部分流量計為了減少超聲傳播時間的測量誤差，會根據(jù)探頭匹配層、保護層的材質和厚度，以及線纜的材質和長度計算出個系統(tǒng)延時量，并對流量計的所有聲道使用統(tǒng)的修正值進行修正[11]。然而，雖然這種修正方式可以減小超聲流量計超聲平均傳播時間測量誤差，但并不能確保其精度達到流量計所需標準。本文主要對超聲傳播時間的測量準確度進行研究，建立超聲流量計時間測量準確度校準裝置，通過比較3種超聲時間測量準確度校準方法，得到非常優(yōu)計算超聲時間測量誤差的方法，并計算該方法的測量不確定度水平。
    1超聲流量計非實流校準
    由超聲波流量計的時差法測量原理[12-13]可知，利用超聲波信號在順流和逆流方向傳播時間的差異，能夠測量聲道線體的平均流速。超聲流量計線速度測量模型如下式所示：
    BURKERT流量計的聲道流速測量準確度主要取決于幾何參數(shù)（L、?）和時間參數(shù)（t順、t逆）的測量準確度。所以，在對超聲流量計進行聲道速度非實流校準時，需要對超聲順流傳播時間t順、逆流傳播時間t逆進行校準。
    2超聲流量計時間測量準確度校準方法
    2.1雙聲道長度法（方法）
    假設實驗過程中，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，超聲信號在整個測量過程中，在不同的距離下，時間測量誤差Δt不變。如圖1所示，通過測量兩個不同探頭間的距離L1和L2，其中t1為探頭間距離為L1時流量計測得超聲信號傳播時間，而t1+Δt為超聲波在兩探頭間傳播的實際時間，用距離L1除以此時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，就能夠計算得出超聲傳播時間測量誤差 Δt 的大小：
    超聲傳播時間校準裝置原理圖
    2.2 雙聲道長度溫度補償法（方法二）
    在上述測量過程中，空氣溫度可能發(fā)生變化，導致聲速發(fā)生變化，為了消除在測量過程中溫度變化對實驗帶來的影響，可以對式（2）進行修正。假設超聲信號在整個測量過程中傳播時間誤差 Δt 相同，超聲波在空氣中傳播，干燥空氣中的聲速 [14] 為
    兩個方向的傳播時間測量誤差在同探頭間距離下基本吻合。當探頭間距離改變時，時間測量誤差 Δt 發(fā)生較大變化。當超聲探頭間距離為 300~600 mm 時，Δt 較為穩(wěn)定，當超聲探頭間距離大于 800 mm 時，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 雙聲道長度溫度補償法數(shù)據(jù)分析（方法二）
    根據(jù)方法二計算得到的超聲傳播時間測量誤差如圖 4 所示。可以看出按照方法二得到的時間測量誤差的數(shù)據(jù)和方法較為致。將兩種方法的超聲傳播時間測量誤差數(shù)據(jù)繪制在同圖中進行比較，如圖 5所示。
    方法二超聲傳播時間測量誤差
    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，但結果表明, 兩種方法計算得到的時間測量誤差 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間測量誤差比較
   BURKERT流量計單聲道長度法（方法三）
    BURKERT流量計根據(jù)方法三計算得到的超聲傳播時間測量誤差如圖 6 所示。
    BURKERT流量計超聲傳播時間測量誤差隨著距離的增加總體上是增加的，當探頭間距離為 800~1 000 mm 時，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的 Δt，其數(shù)值是變化的。因為Δt 是變化的，所以方法和方法二的假設不成立。
    BURKERT流量計方法三根據(jù)實測溫度和壓力擬合得到標準聲速，實驗中，進行多點溫度壓力測量，取平均值，消除空間溫度和壓力不均勻性的影響，使用 REFPROP軟件獲得標準聲速準確度高。