超声波飞行时间热量表中流量测量的仿真和关联

热量表中发生的流量测量对于世界各地供热公用事业公司能源测量要求的准确性至关重要。由于所有热量表基本上都集成了流量累加器，因此模拟流量授权可以深入了解开发具有成本效益的流量测量解决方案所需的权衡。由于流湍流和阀芯体机械设计限制的影响，实际流速测量精度有限，只能通过平均、流量补偿和多点校准接近仿真模型。

介绍

超声波热量表设计中流量测量的仿真和关联对于热量表开发过程的成功至关重要。流量测量为设计人员提供了对热量表系统测量电子设备精度的有益见解，以及开发单个产品规格的方法。如果不知道用于测量仪表阀体中飞行时间声路径的电子系统的预期性能水平，设计人员只能猜测设计的潜在性能极限。这篇简短的文章介绍了模拟飞行时间声程测量的原理，然后使用仪表阀芯体的实际流量测量值对这种模拟进行了相应的确认。

超声波飞行时间流量测量原理

典型的超声波飞行时间热量表阀芯体如图1所示。

图1.典型的超声波飞行时间热量表阀体。

对于每种管道尺寸，尺寸 L 和 D 都是唯一的。流阀芯体内反射器表面的布置对于每个仪表制造商来说也是独一无二的。因此，超声波飞行时间原理基于声音信号在水中的飞行时间。上游飞行时间比下游飞行时间长，因为水速有助于下游方向的声信号并阻碍上游方向的声信号。可以利用飞行时间的这种差异来确定流水的速度。

超声波信号在下游方向的声学飞行时间为：

 

（公式1）

 

超声波信号在上游方向的声学飞行时间为：

 

（公式2）

 

其中：
CO是水中
的声速 v 是水的速度

从等式1中减去等式2并简化结果，然后求解v，得到水的速度：

 

（公式3）

 

然后，通过了解阀芯体流量直径的横截面积来简单地计算水的体积流量：

 

（公式4）

 

这种体积流量测量是确定热量表系统中流量的基础。

典型超声波飞行时间热量计的流量模拟

使用电子表格，可以计算飞行时间，然后使用公式1至4转换为体积流速。通过模拟声波飞行时间测量的时间数字转换器电子误差，可以创建系统精度图。请注意，等式3显示了对水中声速的依赖性，其中C_Ois取决于水的温度。热量表需要对水流进行准确的温度测量，以便计算消耗的能量。如果我们假设水温为+70°C并且可以精确测量，则图2显示了上面所示的典型超声波飞行时间热量表的模拟流量图。

图2.典型超声波飞行时间热量计阀芯体的模拟流量精度。

从图2的曲线可以看出，时间数字转换器贡献的20ps飞行时间误差测量的模拟流速精度大大超过了规格误差线。该仿真描述了流速精度，而不受流湍流和阀芯体机械设计限制的影响。系统中的任何其他错误都会增加此图中所示的错误。该额外误差的主要来源包括流湍流的影响和阀芯体中的机械设计限制。实际流速测量精度有限，只能通过样品平均、累加和多点流量校准接近仿真模型的精度。

典型超声波飞行时间热量计的流量相关性

然后将典型的超声波飞行时间热量表连接到水流系统，以便时间数字转换器电子设备可以实际测量通过仪表阀芯体的流量。可以获取原始流速数据，该原始数据如图3所示。该图表示一个数据集，该数据集包含以固定流速间隔采集的多个样本。每个流速间隔采样50次，以获得阀芯体中测量误差的统计分布。请注意，此图侧重于每分钟 0 到 10 升的低速率区域。该图显示的误差来源于阀芯体中的流动湍流和机械设计限制的影响。时间数字转换器电子器件的精度不是导致该误差的因素。

图3.典型超声飞行时间的无补偿流速精度 热量表阀芯体。

通过将典型的多点补偿曲线应用于原始数据，可以提高图3图的精度。生成补偿曲线所需的数据是从高度精确的流速参考中收集的。美国国家标准与技术研究院 （NIST） 使用重量法参考系统。这是一个带有收集罐和分流装置的称重系统。该设备是校准系统的一部分，它将流动的水引导到收集罐中，同时触发时钟以确定收集时间。收集的水可以用体积或重量单位来确定。有关此校准方法的更多信息，请下载。用于获得多点补偿曲线的一组测量的校准技术基于可追溯到该NIST重量参考系统的参考流量计。

每个仪表的校准都是独一无二的，通常由仪表制造商在发货给最终客户之前执行。将 10 点补偿曲线应用于图 3 的曲线，以产生图 4 的曲线。请注意，在图4中，流速精度优于±1%，低至每分钟0.5升。通过将图4的曲线与图2的曲线进行比较，可以看出仪表的精度可以反映时间数字转换器电子设备的精度。

图4.典型超声波飞行时间的补偿流速精度 热量表阀芯体。

结论

热量表系统的仿真是一种强大的工具，使热量表设计人员能够准确预测阀芯主体机械设计的行为。此处显示的模拟类型提供了对热量表系统测量电子设备的授权精度的深入了解。典型超声飞行时间热量表的精度取决于许多变量，包括流动湍流的影响、阀芯体中的机械设计限制、采样率以及飞行时间测量本身的精度。如果热量表系统的测量电子元件的精度足够，则可以使该变量变得不重要，并且可以补偿整体仪表精度以满足所需的规格。所描述的10点补偿方法是所有热量表制造商部署的一种非常常见的校准方法。

审核编辑：郭婷