传输时间差的误差传递系数为常数 1,当传输时间差检测偏差恒定时,其结果不会恶化流量测 试结果的精度。但在实际流量检测中由于取值很小,且测量结果很难保持较高的精度,因此其测试误差 会直接影响流量检测结果。可见,能否准确地测量传输时间差是提高流量检测精度的关键 [13] (5.5)上式推导结果表明,气体超声波流量检测的精度受制于诸多因素,公式中任何一个参数的检测误差都 会对流量测试结果带来影响。此外,鉴于各参数的相对误差有正负之分,它们对流量测量误差的影响在一 定程度上可以相互抵消,因此在实际测试中气体超声流量计的相对误差并不是这些参数误差的简单叠加。 5.2 其它误差 (1)模型误差 由于时差法气体超声流量计是通过对流体中超声波信号的采集、处理来实现气体流量测量的仪表,因 此气体流动会影响超声波信号的传输方向、改变传输轨迹并不可避免地引入流量检测误差。 受不均匀流场作用的超声波信号S型传输轨迹 1997 年,美国国家标准技术研究院的Yeh Mattingly对超声波在些理想和非理想流场中的传输方程 进行了推导 。计算结果显示,超声波信号的传输轨迹在非均匀流场作用下发生偏转如图5所示,在发射、 接收换能器间呈S 型,其最大偏转量与流场马赫数相关。Yeh 和Mattingly 还对气体超声流量计在超声波直 线传输轨迹和S 型传输轨迹下的检测精度进行了比较,结果表明随着流场雷诺数、流体流动马赫数的变化, 测量误差的变化范围在0%~2%之间。 2007 年,西班牙的研究人员 FranChini 等人用不同的计算方法成功地再现了超声波轨迹在流场中呈 型分布的结论,并直接导出了轨迹偏差与马赫数之间的函数关系:即偏移量在有旋流场中是马赫数的函数,在无旋流场中是二次马赫数的函数 [10] (2)弯管造成的误差气体超声波流量检测精度在流场充分发展的直管道中是最高的。然而,在实际测量中由于客观因素的 限制,理想的流动状态并不能得到满足。1982 年,M.M.Enayet 等人利用激光多普勒技术对单弯管流场进 行了分析 [11] 。结果显示,弯管中出现的二次流强度与入口的初始状态相关,并与流场雷诺数的变化趋势保 持一致。与此同时,实验结果也表明流体通过单弯管后在相当长的范围内(6 倍的管道直径)仍然存在着 非常严重的速度分布变形。1999 年,KiwonLim 等人通过实验表明,二次流衰减是一个缓慢变化的过程并 与流场雷诺数之间存在一定的关联。在层流条件下,弯管后一定距离的流场二次流扰动可以近似衰减到理 想流动状态,但在湍流状态下二次流的衰减非常缓慢,在弯管后面相当长的距离内流场扰动依旧存在 [12] 管壁粗糙度造成的误差管壁粗糙度的存在会改变流场的流动阻力与摩擦系数,引起流体流动能量的损失。管壁粗糙度的变化 会改变气体流场的流速分布并造成气体流量检测误差 [13] 六、信号检测、处理及优化6.1 现有信号检测及处理技术 1951 年,Sanderson 和Hemp 对超声流量计接收信号的检测方法进行了系统的总结 [14] ,从那以后有关 声时计量的基本分类方法一直沿用至今。根据sanderson 和Hemp 的分类,超声流量计接收信号的处理方 法可以笼统地划分为时域分析和频域分析两个范畴,具体采用哪一种方法取决于行程时间与超声脉冲周期 的关系或声道长度与声波波长的关系。 阈值检测技术目前在时域分析中,时间测量法和相关峰值位移法使用最广泛。无论采用哪种检测方法,核心问题都 在于能否准确定位接收信号的基准点(即过零电平交点、接收信号最大峰值等等)。如图 所示,当接收脉冲达到预先设定的电压闺值后,检测电路依此作为信号到达标志启动过零电平检测功能,随后侦测到的 第一个过零点,即图中 点之间的过零点即为信号的初始到达时间。这种测量过零点计算传播时间的检测方法也叫阈值检测法。 由于气体流量检测中超声波脉冲波形受气体扰动影响很难保持稳定,因此常规的阈值检测方法在流场 扰动剧烈的场合很难得到理想的检测结果。为克服这一问题,科研人员提出了很多不同的解决方案及优化 方法,如:动态阈值检测方法、相关法以及包络线自干涉检测方法等等 [15] 。所谓动态阈值检测法,就是在接 收信号段将恒定检测闺值设定为可变阈值用以检测受流场影响而失真的超声波波形,也可以利用自动增益 控制技术(AGC)自适应地调节接收信号的波形使其满足固定闭值检测要求,但由于其无法从根木上解决波形 失真引入的测量误差,因此很难保证稳定测量。