摘 要:大口徑氣體超聲波流量計(jì)廣泛應(yīng)用于煙道排放監(jiān)測(cè)和工業(yè)控制等領(lǐng)域。超聲波流量計(jì)的傳播時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)是非實(shí)流校準(zhǔn)的重要環(huán)節(jié),通過建立超聲波流量計(jì)時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑氣體超聲流量計(jì)傳播時(shí)間的非實(shí)流校準(zhǔn)。該文shou先提出3種不同的超聲流量計(jì)傳播時(shí)間校準(zhǔn)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(duì)不同探頭間距時(shí)超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間的測(cè)量誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間的測(cè)量誤差隨距離變化,并確定利用標(biāo)準(zhǔn)聲速對(duì)超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間進(jìn)行修正的方法更為準(zhǔn)確,測(cè)量結(jié)果不確定度為0.2%。
煙氣超聲波流量計(jì)時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法研究
引 言
近年來,隨著全球氣候的變化,溫室氣體的減排越來越受到關(guān)注,有效地控制和減少溫室氣體的排放是當(dāng)前人類共同面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)[1-2]。有研究報(bào)告指出,全球35%左右的CO2排放主要來自于電力及熱力行業(yè)[3-5]。2017年,全國碳交易市場(chǎng)全面開啟,shou批納入了電力行業(yè)[6]。對(duì)于一個(gè)大型企業(yè),每年二氧化碳排放量可能達(dá)到幾百萬噸,核算排放量數(shù)據(jù)差異1%,就會(huì)涉及幾百萬元的碳交易配額;因此,碳交易的準(zhǔn)確計(jì)量至關(guān)重要。目前,國內(nèi)碳交易市場(chǎng)的碳排放量核算方法還是基于燃料端計(jì)算,對(duì)于使用固體燃料的企業(yè),由于固體燃料品質(zhì)的不均勻性,會(huì)造成燃料端核算碳排放量數(shù)據(jù)不確定度較大。為了進(jìn)一步提高碳核查的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度,中國電力聯(lián)合會(huì)正在組織驗(yàn)證煙道連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)作為碳核查方法的可行性。
煙道碳排放量測(cè)量需要同時(shí)測(cè)量煙道中的二氧化碳濃度和煙道流量,通常煙道濃度測(cè)量具有較高的準(zhǔn)確度(RSD約為1%~5%),而煙道流量的測(cè)量準(zhǔn)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(dòng)復(fù)雜、湍流度高等特點(diǎn),常規(guī)方法很難準(zhǔn)確測(cè)量;多聲道超聲波流量計(jì)是一種非接觸式的高準(zhǔn)確度測(cè)量方法,通過測(cè)量管道內(nèi)多條線上的平均流速,使用高斯積分計(jì)算得到流量,其準(zhǔn)確度往往能夠優(yōu)于5%[7-8]。
由于氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置口徑的限制,常規(guī)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)中大口徑煙道流量計(jì)都無法進(jìn)行校準(zhǔn);但超聲波流量計(jì)的測(cè)量具有清晰的物理模型,其聲道流速的測(cè)量通過幾何參數(shù)和時(shí)間參數(shù)測(cè)量獲得,因此可以通過對(duì)幾何參數(shù)和時(shí)間參數(shù)分別進(jìn)行校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)聲道流速的校準(zhǔn)[9]。
超聲波流量計(jì)時(shí)間測(cè)量誤差主要來自于超聲信號(hào)在探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳播延時(shí)、電纜長度、硬件電路以及算法等[10]。每個(gè)探頭對(duì),因?yàn)橹谱鞑豢赡芡耆恢拢砸矔?huì)有所差異。部分流量計(jì)生產(chǎn)廠家為了減少超聲傳播時(shí)間的測(cè)量誤差,會(huì)根據(jù)探頭匹配層、保護(hù)層的材質(zhì)和厚度,以及線纜的材質(zhì)和長度計(jì)算出一個(gè)系統(tǒng)延時(shí)量,并對(duì)流量計(jì)的所有聲道使用統(tǒng)一的修正值進(jìn)行修正[11]。然而,雖然這種修正方式可以減小超聲流量計(jì)超聲平均傳播時(shí)間測(cè)量誤差,但并不能確保其精度達(dá)到流量計(jì)所需標(biāo)準(zhǔn)。本文主要對(duì)超聲傳播時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)行研究,建立超聲流量計(jì)時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)裝置,通過比較3種超聲時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法,得到#優(yōu)計(jì)算超聲時(shí)間測(cè)量誤差的方法,并計(jì)算該方法的測(cè)量不確定度水平。
1超聲流量計(jì)非實(shí)流校準(zhǔn)
由超聲波流量計(jì)的時(shí)差法測(cè)量原理[12-13]可知,利用超聲波信號(hào)在順流和逆流方向傳播時(shí)間的差異,能夠測(cè)量聲道線上流體的平均流速。超聲流量計(jì)線速度測(cè)量模型如下式所示:
式中:V——流體的軸向平均流速,m/s;
L——聲道長度,m;
ϕ——聲道角度,(°);
t順——超聲信號(hào)順流傳播時(shí)間,s;
t逆——超聲信號(hào)逆流傳播時(shí)間,s。
超聲波流量計(jì)的聲道流速測(cè)量準(zhǔn)確度主要取決于幾何參數(shù)(L、ϕ)和時(shí)間參數(shù)(t順、t逆)的測(cè)量準(zhǔn)確度。所以,在對(duì)超聲流量計(jì)進(jìn)行聲道速度非實(shí)流校準(zhǔn)時(shí),需要對(duì)超聲順流傳播時(shí)間t順、逆流傳播時(shí)間t逆進(jìn)行校準(zhǔn)。
2超聲流量計(jì)時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法
2.1雙聲道長度法(方法一)
假設(shè)實(shí)驗(yàn)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一致,超聲信號(hào)在整個(gè)測(cè)量過程中,在不同的距離下,時(shí)間測(cè)量誤差Δt不變。如圖1所示,通過精que測(cè)量兩個(gè)不同探頭間的距離L1和L2,其中t1為探頭間距離為L1時(shí)流量計(jì)測(cè)得超聲信號(hào)傳播時(shí)間,而t1+Δt為超聲波在兩探頭間傳播的實(shí)際時(shí)間,用距離L1除以此時(shí)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(jì)算得出超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差 Δt 的大�。�
2.2 雙聲道長度溫度補(bǔ)償法(方法二)
在上述測(cè)量過程中,空氣溫度可能發(fā)生變化,導(dǎo)致聲速發(fā)生變化,為了消除在測(cè)量過程中溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來的影響,可以對(duì)式(2)進(jìn)行修正。假設(shè)超聲信號(hào)在整個(gè)測(cè)量過程中傳播時(shí)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
式中:
C——溫度為 T 時(shí)空氣中的聲速,m/s;
C 0 ——0 ℃ 下空氣中的聲速,m/s;
T——空氣中的溫度,℃。
溫度測(cè)量采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度為 0.005 ℃ 的鉑電阻溫度計(jì),式(2)可進(jìn)一步改寫為
2.3 單聲道長度法(方法三)
根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中空氣溫度和大氣壓力,利用美國guojia標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 開發(fā)的計(jì)算工業(yè)重要流體及其混合物的熱力學(xué)和輸運(yùn)特性的軟件REFPROP,能夠計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)聲速,其擬合聲速的不確定度為 0.19%。將探頭移動(dòng)到探頭間距離為 L 時(shí),使用距離除以標(biāo)準(zhǔn)聲速即可得到超聲波在兩探頭間傳播的實(shí)際時(shí)間,通過和超聲流量計(jì)實(shí)際測(cè)量的傳播時(shí)間對(duì)比計(jì)算傳播時(shí)間測(cè)量誤差 Δt。實(shí)驗(yàn)中采用準(zhǔn)確度等級(jí)為 0.01 級(jí)的數(shù)字式壓力計(jì)測(cè)量大氣壓力,采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度為 0.005 ℃ 的鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量溫度。超聲流量計(jì)傳播時(shí)間測(cè)量誤差為:
式中:C——溫度為 T,壓力為 P 時(shí)空氣中的聲速,m/s;
L——探頭間的距離,m;
t——超聲流量計(jì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)測(cè)得的平均傳播時(shí)間,s;
Δt——超聲信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)量誤差,s。
在該超聲流量計(jì)主機(jī)中的計(jì)時(shí)系統(tǒng)中,分別記錄了兩個(gè)時(shí)間,超聲信號(hào)由探頭的 A 端傳向 B 端的時(shí)間為 t A ,由探頭 B 端傳向 A 端的時(shí)間為 t B ,在整個(gè)測(cè)量過程中,玻璃罩內(nèi)無空氣流動(dòng),所以取兩者的平均值 t 作為超聲探頭 A 和 B 之間的平均傳播時(shí)間:
以 Δt A 表示探頭從 A 端向 B 端的傳播時(shí)間的測(cè)量誤差,Δt B 表示從 B 端向 A 端的傳播時(shí)間的測(cè)量誤差,Δt 表示探頭 A 和 B 之間的平均傳播時(shí)間的測(cè)量誤差。
3 校準(zhǔn)裝置
本研究建立了大口徑氣體超聲流量計(jì)傳播時(shí)間校準(zhǔn)裝置,此裝置能夠用于校準(zhǔn)超聲平均傳播時(shí)間,如圖 2 所示。整套裝置分為 3 個(gè)部分,地衣部分是探頭間距離的精que控制和測(cè)量;第二部分是環(huán)境溫度和大氣壓力測(cè)量,用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)聲速;第三部分是超聲流量計(jì)傳播時(shí)間數(shù)據(jù)采集。探頭間距離的測(cè)量準(zhǔn)確度是整個(gè)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分,裝置利用API激光干涉儀測(cè)量探頭之間的距離,儀器的不確定度為 U=0.14 µm+1×10 −7 L(k=2)。
shou先通過夾裝機(jī)構(gòu)將超聲探頭固定,夾裝機(jī)構(gòu)與滑塊相連,滑塊上安裝了固定機(jī)構(gòu),能將探頭整體固定在導(dǎo)軌上。在右端的夾裝機(jī)構(gòu)上設(shè)置了恒力頂緊機(jī)構(gòu)。由于激光干涉儀只能測(cè)量物體的移動(dòng)距離,因此在每次實(shí)驗(yàn)前,將兩探頭端面接觸,并使用恒力頂緊,認(rèn)為此時(shí)探頭間距離為零。然后將右端探頭移動(dòng)距離 L 1 ,記錄超聲流量計(jì)主機(jī)中的計(jì)時(shí)系統(tǒng)測(cè)量的傳播時(shí)間 t 1 。再將前述移動(dòng)的探頭再移動(dòng)距離 L 2 −L 1 (此時(shí)兩超聲探頭間距為 L 2 ),記錄超聲流量計(jì)主機(jī)中的計(jì)時(shí)系統(tǒng)測(cè)量的傳播時(shí)間 t 2 ,由此得到超聲傳播時(shí)間的測(cè)量誤差 Δt。整個(gè)裝置放在密閉的玻璃罩內(nèi),保證其測(cè)量環(huán)境的密閉性。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及處理
4.1 雙聲道長度法數(shù)據(jù)分析(方法一)
實(shí)驗(yàn)中選擇測(cè)量 13 種不同超聲流量計(jì)探頭間距離,每次實(shí)驗(yàn)使用兩種接近長度的組合,L 如表 1所示。
根據(jù)方法一計(jì)算得到的超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差如圖 3 所示。
由圖可知,兩個(gè)方向的傳播時(shí)間測(cè)量誤差在同探頭間距離下基本吻合。當(dāng)探頭間距離改變時(shí),時(shí)間測(cè)量誤差 Δt 發(fā)生較大變化。當(dāng)超聲探頭間距離為 300~600 mm 時(shí),Δt 較為穩(wěn)定,當(dāng)超聲探頭間距離大于 800 mm 時(shí),Δt 變化 較大。在不同距離測(cè)量的 Δt 的平均值為−0.013 6 ms。
4.2 雙聲道長度溫度補(bǔ)償法數(shù)據(jù)分析(方法二)
根據(jù)方法二計(jì)算得到的超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差如圖 4 所示。可以看出按照方法二得到的時(shí)間測(cè)量誤差的數(shù)據(jù)和方法一較為一致。將兩種方法的超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差數(shù)據(jù)繪制在同一圖中進(jìn)行比較,如圖 5所示。
雖然方法二增加了溫度修正,考慮到溫度變化對(duì)聲速的影響,但結(jié)果表明, 兩種方法計(jì)算得到的時(shí)間測(cè)量誤差 Δt 在相同的距離下基本是一致的。說明溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果 Δt 的影響不大。此外,兩條曲線的一致性表明,在不同探頭間距離下得到的時(shí)間測(cè)量誤差的差異不是由于溫度變化造成的。
4.3 單聲道長度法(方法三)
根據(jù)方法三計(jì)算得到的超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差如圖 6 所示。
超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差隨著距離的增加總體上是增加的,當(dāng)探頭間距離為 800~1 000 mm 時(shí),Δt 有比較小的反向變化。在不同距離測(cè)量的 Δt 的平均值為−0.001 4 ms,與前兩種方法的平均值不一致。對(duì)比接近探頭間距離時(shí)的 Δt,其數(shù)值是變化的。因?yàn)?Delta;t 是變化的,所以方法一和方法二的假設(shè)不成立。
方法三根據(jù)實(shí)測(cè)溫度和壓力擬合得到標(biāo)準(zhǔn)聲速,實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)行多點(diǎn)溫度壓力測(cè)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(biāo)準(zhǔn)聲速準(zhǔn)確度高。
4.4 時(shí)間測(cè)量不確定度分析
方法三是 3 種超聲傳播時(shí)間校準(zhǔn)方法中準(zhǔn)確度#高的,其測(cè)量不確定度可以根據(jù)下式計(jì)算得到:
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)參數(shù)的敏感系數(shù)和測(cè)量不確定度(以探頭間距 1 000 mm 為例),結(jié)果如表 2所示�?梢钥闯�,聲速的不確定度是 Δt 不確定度的#主要來源,第二大來源是系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性。
實(shí)驗(yàn)過程中,使用校準(zhǔn)過的法如(FARO)便攜式三維坐標(biāo)測(cè)量臂對(duì)探頭間的距離進(jìn)行復(fù)測(cè)(如圖 7 所示),與激光干涉儀測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,#大誤差為 0.2 mm,說明激光干涉儀測(cè)量不確定度數(shù)值是可信的。
聲速擬合引入的不確定度可以根據(jù) REFPROP軟件獲得,其聲速數(shù)據(jù)不確定度為 0.19%。此外,在測(cè)量過程中由于環(huán)境溫度和壓力的變化,也會(huì)引入聲速測(cè)量不確定度,因此本研究根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)聲速的#大值和#小值,按照均勻分布考慮,計(jì)算得到由于溫度和壓力變化造成的標(biāo)準(zhǔn)聲速測(cè)量不確定度。超聲流量計(jì)測(cè)量時(shí)間的不確定度為時(shí)間測(cè)量平均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。在不同聲道間距下的不確定度分布如圖 8 所示。隨著探頭間距的增加,Δt 的不確定度整體逐漸增加,當(dāng)探頭間距大于 800 mm時(shí) Δt 測(cè)量不確定度增幅逐漸放緩。根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析,由方法三測(cè)得 Δt 的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為 0.2%。
5 結(jié)束語
本文建立了煙氣超聲流量計(jì)時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)裝置,主要用于大口徑超聲流量計(jì)超聲信號(hào)傳播時(shí)間的校準(zhǔn)。通過比較三種超聲時(shí)間測(cè)量誤差∆t 測(cè)量方法,發(fā)現(xiàn)大口徑氣體超聲流量計(jì)傳播時(shí)間的測(cè)量誤差在隨距離變化,因此造成方法一和方法二的 Δt 在不同兩個(gè)探頭間距離測(cè)量時(shí)是不變的假設(shè)不成立,這兩種方法的測(cè)量結(jié)果不可信。方法三是使用 REFPROP 軟件,根據(jù)大氣溫度和壓力擬合得到標(biāo)準(zhǔn)聲速,從而計(jì)算時(shí)間測(cè)量誤差,經(jīng)評(píng)估,其Δt 相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為 0.2%。