解析BURKERT流量计时间测量准确度校准方法研究

    解析BURKERT流量计时间测量准确度校准方法研究
    BURKERT流量计测量准确度校准是非实流校准的重要环节，通过建立超声波流量计时间测量准确度校准装置，实现对大口径气体超声流量计传播时间的非实流校准。该文提出3种不同的超声流量计传播时间校准方法，分析不同方法的影响因素，其次通过改变探头间距离，对不同探头间距时超声波流量计传播时间的测量误差进行校准。试验结果表明：超声波流量计传播时间的测量误差随距离变化，并确定利用标准声速对超声波流量计传播时间进行修正的方法更为准确，测量结果不确定度为0.2%。
    BURKERT流量计温室气体的减排越来越受到关注，地控制和减少温室气体的排放是当前人类共同面对的巨大挑战[1-2]。有研究报告指出，35%左右的CO2排放主要来自于电力及热力[3-5]。2017年，碳交易市场全面开启，批纳入了电力[6]。对于个大型企业，每年二氧化碳排放量可能达到几，核算排放量数据差异1%，就会涉及几百万元的碳交易配额；因此，碳交易的准确计量关重要。目前，国内碳交易市场的碳排放量核算方法还是基于燃料端计算，对于使用固体燃料的企业，由于固体燃料的不均匀性，会造成燃料端核算碳排放量数据不确定度较大。为了进步提高碳核查的数据准确度，电力联合会正在组织验证烟道连续排放监测系统（CEMS）作为碳核查方法的可行性。
    烟道碳排放量测量需要同时测量烟道中的二氧化碳浓度和烟道流量，通常烟道浓度测量具有较高的准确度（RSD约为1%~5%），而烟道流量的测量准确度往往偏低（RSD约为3%~50%）。由于烟道口径较大，且具有高温高湿、流动复杂、湍流度高等特点，常规方法很难准确测量；多声道超声波流量计是种非接触式的高准确度测量方法，通过测量管道内多条线上的平均流速，使用高斯积分计算得到流量，其准确度往往能够优于5%[7-8]。
    BURKERT流量计由于气体流量标准装置口径的限制，常规气体流量标准装置对中大口径烟道流量计都无法进行校准；但超声波流量计的测量具有清晰的物理模型，其声道流速的测量通过几何参数和时间参数测量获得，因此可以通过对几何参数和时间参数分别进行校准来实现对声道流速的校准[9]。
    BURKERT流量计时间测量误差主要来自于超声信号在探头内部结构的传播延时、电缆长度、硬件电路以及算法等[10]。每个探头对，因为制作不可能*致，所以也会有所差异。部分流量计为了减少超声传播时间的测量误差，会根据探头匹配层、保护层的材质和厚度，以及线缆的材质和长度计算出个系统延时量，并对流量计的所有声道使用统的修正值进行修正[11]。然而，虽然这种修正方式可以减小超声流量计超声平均传播时间测量误差，但并不能确保其精度达到流量计所需标准。本文主要对超声传播时间的测量准确度进行研究，建立超声流量计时间测量准确度校准装置，通过比较3种超声时间测量准确度校准方法，得到非常优计算超声时间测量误差的方法，并计算该方法的测量不确定度水平。
    1超声流量计非实流校准
    由超声波流量计的时差法测量原理[12-13]可知，利用超声波信号在顺流和逆流方向传播时间的差异，能够测量声道线体的平均流速。超声流量计线速度测量模型如下式所示：
    BURKERT流量计的声道流速测量准确度主要取决于几何参数（L、?）和时间参数（t顺、t逆）的测量准确度。所以，在对超声流量计进行声道速度非实流校准时，需要对超声顺流传播时间t顺、逆流传播时间t逆进行校准。
    2超声流量计时间测量准确度校准方法
    2.1双声道长度法（方法）
    假设实验过程中，装置中空气温度、大气压力基本保持恒定，超声波声速基本保持致，超声信号在整个测量过程中，在不同的距离下，时间测量误差Δt不变。如图1所示，通过测量两个不同探头间的距离L1和L2，其中t1为探头间距离为L1时流量计测得超声信号传播时间，而t1+Δt为超声波在两探头间传播的实际时间，用距离L1除以此时间量可得超声波声速大小。改变探头间距离到L2，同样可以得到相近的公式，就能够计算得出超声传播时间测量误差 Δt 的大小：
    超声传播时间校准装置原理图
    2.2 双声道长度温度补偿法（方法二）
    在上述测量过程中，空气温度可能发生变化，导致声速发生变化，为了消除在测量过程中温度变化对实验带来的影响，可以对式（2）进行修正。假设超声信号在整个测量过程中传播时间误差 Δt 相同，超声波在空气中传播，干燥空气中的声速 [14] 为
    两个方向的传播时间测量误差在同探头间距离下基本吻合。当探头间距离改变时，时间测量误差 Δt 发生较大变化。当超声探头间距离为 300~600 mm 时，Δt 较为稳定，当超声探头间距离大于 800 mm 时，Δt 变化 较大。在不同距离测量的 Δt 的平均值为?0.013 6 ms。
    4.2 双声道长度温度补偿法数据分析（方法二）
    根据方法二计算得到的超声传播时间测量误差如图 4 所示。可以看出按照方法二得到的时间测量误差的数据和方法较为致。将两种方法的超声传播时间测量误差数据绘制在同图中进行比较，如图 5所示。
    方法二超声传播时间测量误差
    虽然方法二增加了温度修正，考虑到温度变化对声速的影响，但结果表明, 两种方法计算得到的时间测量误差 Δt 在相同的距离下基本是致的。说明温度变化对测量结果 Δt 的影响不大。此外，两条曲线的致性表明，在不同探头间距离下得到的时间测量误差的差异不是由于温度变化造成的。
    方法和方法二超声传播时间测量误差比较
   BURKERT流量计单声道长度法（方法三）
    BURKERT流量计根据方法三计算得到的超声传播时间测量误差如图 6 所示。
    BURKERT流量计超声传播时间测量误差随着距离的增加总体上是增加的，当探头间距离为 800~1 000 mm 时，Δt 有比较小的反向变化。在不同距离测量的 Δt 的平均值为?0.001 4 ms，与前两种方法的平均值不致。对比接近探头间距离时的 Δt，其数值是变化的。因为Δt 是变化的，所以方法和方法二的假设不成立。
    BURKERT流量计方法三根据实测温度和压力拟合得到标准声速，实验中，进行多点温度压力测量，取平均值，消除空间温度和压力不均匀性的影响，使用 REFPROP软件获得标准声速准确度高。