摘　要：介紹用于氣體超聲波流量計(jì)的降噪整流裝置的結(jié)構(gòu)和原理以及在降噪和整流方面的試驗(yàn)。通過測試調(diào)壓器產(chǎn)生的超聲波噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的干擾情況來驗(yàn)證降噪整流裝置的降噪效果。通過分別檢定安裝和未安裝降噪整流裝置的超聲波流量計(jì)的相對(duì)誤差和重復(fù)性來驗(yàn)證降噪整流裝置的整流效果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：降噪整流裝置可以有效減少干擾源超聲波噪聲的影響，可以有效解決超聲波流量計(jì)受管道內(nèi)紊亂氣流影響所導(dǎo)致的準(zhǔn)確度變差的問題，安裝降噪整流裝置的超聲波流量計(jì)的重復(fù)性要明顯好于未安裝降噪整流裝置的超聲波流量計(jì)的重復(fù)性。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)；  降噪；  整流；  準(zhǔn)確度；相對(duì)誤差；  重復(fù)性

Study on Denoise Rectifier Used for Gas Ultrasonic Flowmeter

Abstract：The structure and principle of the denoise rectifier used for gas ultrasonic flowmeter as well as tests for noise reduction and rectification are introduced．The noise reduction effect of the denoise rectifier is verified by testing interference of ultrasonic noise produced by pressure regulator to uhrasonic flowmeter．The rectification effect of the denoise rectifier is verifled by determining the relative error and repeatability of ultrasonic flowmeter with or without the denoise rectifier respectively．Experimental data show that the denoise rectifier can effectively reduce ultrasonic noise from the interference source．and can effectively solve the problem of low accuracy of the ultrasonic flowmeter which is caused by the influence of disturbance airflow in the pipeline．The repeatability of ultrasonic flowmeter with the denoise rectifier is better than that of ultrasonic flowmeter without the denoise rectifier．

Keywords：ultrasonic flowmeter；noise reduction；rectification；accuracy；relative error；repeatability

1　概述

近年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快。基于不同原理、適用于不同場所的各種形式的超聲波流量計(jì)已相繼出現(xiàn)，其應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，大到大型輸氣站和門站、工業(yè)用戶等，小到加工作坊、餐廳、酒店等，正日趨成為流量測量的首選儀表。目前超聲波流量計(jì)主要分為單聲道流量計(jì)和多聲道流量計(jì)。單聲道超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但這種流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)性差，測量準(zhǔn)確度不易控制。由于調(diào)壓器等影響，管道內(nèi)容易產(chǎn)生超聲波噪聲進(jìn)而影響超聲波流量計(jì)的正常工作。孫金明等介紹了調(diào)節(jié)閥噪聲的衰減措施以及對(duì)調(diào)節(jié)閥噪聲導(dǎo)致的超聲波流量計(jì)故障案例進(jìn)行了分析^[1]。為了解決管道內(nèi)氣體流態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致的計(jì)量不精確和超聲波噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的干擾等問題，山東思達(dá)特測控設(shè)備有限公司研制出了基于時(shí)差法單聲道超聲波流量計(jì)用降噪整流裝置，并獲得實(shí)用新型專利證書^[2]。

降噪整流裝置是基于流體在管道內(nèi)的分布狀態(tài)特點(diǎn)和超聲波的測量原理進(jìn)行研制的，本降噪整流裝置的功能為降噪和整流。降噪是指能夠使得管道內(nèi)的超聲波噪聲在通過本裝置后，被有效削弱甚至阻斷。整流是將管道內(nèi)不規(guī)則氣流變?yōu)橐?guī)則氣流或把旋轉(zhuǎn)的氣流變?yōu)橹本€流動(dòng)的氣流。

2　降噪整流裝置的結(jié)構(gòu)及原理

本降噪整流裝置的降噪整流效果是用AS系列以時(shí)間差齒為算法的單聲道超聲波流量計(jì)(以下簡稱AS超聲波流量計(jì))進(jìn)行測試的。這種以時(shí)間差法為算法的單聲道超聲波流量計(jì)的測量實(shí)際為測量管道內(nèi)流體的速度。由于管道內(nèi)從中心到管壁流體的流場是不一樣的，流速電是不一樣的，因此管道內(nèi)流場的分布直接影響著管道內(nèi)流體的速度。在現(xiàn)場安裝中，由于彎頭、匯管和變徑管的影響，下游的流場會(huì)不穩(wěn)定，為了保證管道內(nèi)流場的穩(wěn)定，超聲波流量計(jì)上游就需要安裝降噪整流裝置，使得流場更加穩(wěn)定。

降噪整流裝置由殼體和內(nèi)部組件構(gòu)成，其中內(nèi)部組件包括一級(jí)整流元件、補(bǔ)償元件和二級(jí)整流元件等^[2]。降噪整流裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

氣體由入口進(jìn)入，經(jīng)導(dǎo)流錐進(jìn)入一個(gè)比所測量的管道標(biāo)準(zhǔn)口徑尺寸更大的擴(kuò)容氣室。不管進(jìn)口前端氣體如何分布，在擴(kuò)容氣室內(nèi)將進(jìn)行重新分布，然后經(jīng)過一級(jí)整流元件對(duì)氣體進(jìn)行降噪和初級(jí)整流。經(jīng)過一級(jí)整流元件后，氣體在標(biāo)準(zhǔn)氣室內(nèi)的密度會(huì)變得很均勻，在此處的氣體流場基本定型。經(jīng)過一級(jí)整流元件后氣體進(jìn)入補(bǔ)償元件，在補(bǔ)償元件實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流場的再次分布。補(bǔ)償元件與二級(jí)整流元件之間有緩沖氣室。氣體經(jīng)過補(bǔ)償元件后經(jīng)緩沖氣室到二級(jí)整流元件，在二級(jí)整流元件對(duì)氣體進(jìn)行二級(jí)整流，經(jīng)過二級(jí)整流后，流場穩(wěn)定。在各種流場不穩(wěn)定的環(huán)境下使用本降噪整流裝置能夠使流場高度一致。

3　降噪整流裝置的測試

本試驗(yàn)的驗(yàn)證主要分為三個(gè)部分。第一部分，對(duì)本降噪整流裝置的降噪效果進(jìn)行測試。第二部分，通過對(duì)比超聲波流量計(jì)的相對(duì)誤差對(duì)本降噪整流裝置的整流效果進(jìn)行測試。第三部分，通過對(duì)比超聲波流量計(jì)的重復(fù)性對(duì)本降噪整流裝置的整流效果進(jìn)行測試。

3.1　降噪效果測試

試驗(yàn)中，用來產(chǎn)生超聲波噪聲的設(shè)備是調(diào)壓器。在氣體流動(dòng)的過程中，調(diào)壓器兩側(cè)的壓力差越大所產(chǎn)生的超聲波噪聲越大。本測試的方法是：在一個(gè)容積為5m³的緩沖罐中充入空氣，使其內(nèi)部達(dá)到500kPa左右的絕對(duì)壓力，緩沖罐的一側(cè)接有DN 50mm的管道，管道上依次接有蝶閥、壓力表1、調(diào)壓器、降噪整流裝置、AS超聲波流量計(jì)、壓力表2和球閥。為了模擬實(shí)際使用現(xiàn)場，特約束了它們之間的距離。蝶閥與壓力表1相距10D(D為管道公稱直徑)，壓力表1與調(diào)壓器相距15D，調(diào)壓器與降噪整流裝置相距5D，降噪整流裝置與AS超聲波流量計(jì)直接連接，超聲波流量計(jì)與壓力表2相距10D，壓力表2與球閥相距10D，測試系統(tǒng)見圖2。選用的AS超聲波流量計(jì)規(guī)格為DN 50mm，始動(dòng)流量為0.37m³／h，流量范圍為3～150m³／h。

管道上的蝶閥作為緩沖罐排氣的總開關(guān)。用球閥來控制排氣量的大小。測試的流程為：把球閥和蝶閥全部關(guān)閉，向緩沖罐里充空氣并達(dá)到絕對(duì)壓力為500kPa左右，為保證緩沖罐內(nèi)壓力在500kPa左右，整個(gè)試驗(yàn)過程由空氣壓縮機(jī)對(duì)其持續(xù)充空氣。先打開蝶閥，讓管道內(nèi)與緩沖罐內(nèi)的壓力均衡，此時(shí)緩緩打開球閥，流量計(jì)上會(huì)顯示流量，通過調(diào)節(jié)球閥的開度來調(diào)節(jié)流量的大小。在調(diào)節(jié)流量從小到大的過程中，記錄下各流量值、壓力表1的值和壓力表2的值。

試驗(yàn)過程分兩種情況完成：一是超聲波流量計(jì)配帶有降噪整流裝置，二是超聲波流量計(jì)沒有配帶降噪整流裝置。試驗(yàn)表明：沒有配帶降噪整流裝置的超聲波流量計(jì)，工況流量達(dá)到約13m³／h，壓力表1的絕對(duì)壓力值為503kPa左右且壓力表2的絕對(duì)壓力值為114kPa左右時(shí)，由于超聲波噪聲的影響，超聲波流量計(jì)出現(xiàn)了不計(jì)量報(bào)警狀態(tài)。配帶降噪整流裝置的超聲波流量計(jì)，工況流量達(dá)到約87m³／h，壓力表1的絕對(duì)壓力值為503kPa左右且壓力表2的絕對(duì)壓力值為114kPa左右時(shí)，由于超聲波噪聲的影響，超聲波流量計(jì)出現(xiàn)了不計(jì)量報(bào)警狀態(tài)。相同條件下，流速越大則噪聲越大。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，當(dāng)安裝相同的調(diào)壓器，減壓比基本相同的情況下，安裝有降噪整流裝置的超聲波流量計(jì)在出現(xiàn)不計(jì)量報(bào)警狀態(tài)時(shí)的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不安裝降噪整流裝置的情況。這說明降噪整流裝置具有降噪能力。

3.2　整流效果測試

同一生產(chǎn)廠家的超聲波流量計(jì)，聲道越多，計(jì)量準(zhǔn)確度越高，性能越可靠，對(duì)于單聲道超聲波流量計(jì)而言，其更易受紊亂氣流的影響。現(xiàn)場安裝使用的管道結(jié)構(gòu)不同，流體流場不同，對(duì)超聲波流量計(jì)的性能也有影響。為了更加精確地測試降噪整流裝置的整流效果，需分別進(jìn)行超聲波流量計(jì)的誤差測試和重復(fù)性測試。

3．2．1對(duì)AS超聲波流量計(jì)的相對(duì)誤差測試

在管道內(nèi)氣體經(jīng)過彎道或者閥門后，流場會(huì)有大的改變，如果后面直接連接超聲波流量計(jì)，則會(huì)使得測量的誤差偏大。在各類閥門中，蝶閥對(duì)流場影響比較大，因此在試驗(yàn)中選擇了蝶閥代表各類閥門對(duì)氣體流場的影響。為了研究各種彎道和蝶閥對(duì)超聲波流量計(jì)的影響，特做了如下試驗(yàn)進(jìn)行測試。測試是在山東思達(dá)特公司校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)表校驗(yàn)裝置上進(jìn)行的。此標(biāo)準(zhǔn)表校驗(yàn)裝置是經(jīng)過市計(jì)量部門認(rèn)證的裝置，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)。

試驗(yàn)的方法為：在標(biāo)準(zhǔn)表校驗(yàn)裝置上被檢表的位置安裝好待測的儀器后，按照校驗(yàn)流量計(jì)的方法分別對(duì)qmin、0.1qmax、qt、0.4qmax、0.7qmax和qmax的流量點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)。qmin為流量計(jì)的標(biāo)稱最小流量；qmax為流量計(jì)的標(biāo)稱最大流量；qt為分界流量，即流量范圍被分割成“高區(qū)”和“低區(qū)”的分界點(diǎn)的流量，“高區(qū)”的準(zhǔn)確度等級(jí)為流量計(jì)的標(biāo)稱準(zhǔn)確度等級(jí)，“低區(qū)”的準(zhǔn)確度等級(jí)為流量計(jì)的標(biāo)稱準(zhǔn)確度等級(jí)的2倍。

試驗(yàn)的流程為：先在被檢表位置安裝降噪整流裝置和AS超聲波流量計(jì)，在無干擾源的情況下進(jìn)行檢定；檢定完成后在降噪整流裝置的上游安裝上干擾源，按照以上流量點(diǎn)再次進(jìn)行檢定。檢定完畢后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)見表1。測試了常見的5種干擾源，分別為：90°彎頭、180°彎頭、異面180°彎頭、半開的蝶閥、全開的蝶閥。

經(jīng)過分析，安裝有降噪整流裝置的超聲波流量計(jì)在所測的5種干擾源環(huán)境下相對(duì)誤差在±0.5％左右，由于本AS超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)為1.5級(jí)，其最大允許的相對(duì)誤差為±1.5％，因此，安裝降噪整流裝置后，干擾源將不影響本AS超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度。

為了使試驗(yàn)結(jié)果更有對(duì)比性和說服力，對(duì)沒有安裝降噪整流裝置的AS超聲波流量計(jì)進(jìn)行了相同的試驗(yàn)。試驗(yàn)完畢后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體數(shù)據(jù)見表2。通過數(shù)據(jù)分析，沒有安裝降噪整流裝置的AS超聲波流量汁在以上5種干擾源的環(huán)境下測量出來的相對(duì)誤差偏離非常大，最大達(dá)到了-76.11％左右。因半開的蝶閥能使氣流的方向傾斜向管壁，對(duì)AS超聲波流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果影響最為突出。在檢定qmax流量點(diǎn)時(shí)因受斜向氣流的干擾，AS超聲波流量計(jì)出現(xiàn)了不計(jì)量報(bào)警的異常狀態(tài)。在超聲波流量計(jì)的電子系統(tǒng)中，能有效剔除由混響、電磁干擾等引起的計(jì)量誤差的算法不能消除機(jī)械情況下的干擾引。由此說明降噪整流裝置在整流方面起著決定性的作用。

3．2．2對(duì)AS超聲波流量計(jì)的重復(fù)性測試

由于噴嘴校驗(yàn)裝置的自身重復(fù)性很好，這樣噴嘴校驗(yàn)裝置就能體現(xiàn)流量計(jì)的重復(fù)性這一參數(shù)。通過測試超聲波流量計(jì)的重復(fù)性從而對(duì)降噪整流裝置的整流效果的測試是在山東思達(dá)特公司校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室噴嘴校驗(yàn)裝置上進(jìn)行的。本裝置是經(jīng)過國家計(jì)量部門檢定合格的裝置，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.3級(jí)。

測試方法為：在噴嘴校驗(yàn)裝置的被檢表位置安裝配有降噪整流裝置的As超聲波流量計(jì)，然后對(duì)其進(jìn)行檢定。根據(jù)超聲波流量計(jì)口徑的大小，測試了 DN 25、32、40、50、80、100、150和200mm共8種口徑的配有降噪整流裝置的AS超聲波流量計(jì)。根據(jù)口徑的不同，統(tǒng)計(jì)各個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性，見表3。

為了使得試驗(yàn)結(jié)果更具有對(duì)比性，把各個(gè)口徑的AS超聲波流量計(jì)拆下降噪整流裝置后按照所校驗(yàn)流量點(diǎn)進(jìn)行檢定，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性，見表4。

據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布的超聲波標(biāo)準(zhǔn)JJG 1030—2007《超聲流量計(jì)》的要求，的重復(fù)性不能超過相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)規(guī)定的最相對(duì)誤差絕對(duì)值的1／5，即作為1.5級(jí)的AS流量計(jì)的重復(fù)性，除分界流量點(diǎn)(qt)以下的應(yīng)滿足重復(fù)性≤0.6％外，其他流量點(diǎn)應(yīng)滿足≤0.3％。流量計(jì)的重復(fù)性越小，性能越好。析表3和表4中的數(shù)據(jù)，安裝降噪整流裝置的As超聲波流量計(jì)的重復(fù)性比不安裝降噪整流裝置的超聲波流量計(jì)的重復(fù)性要小很多，達(dá)到0.5級(jí)AS超聲波流量計(jì)的重復(fù)性的要求。試驗(yàn)證明降噪整流裝置的整流效果在超聲波流量計(jì)的重復(fù)性方面也能體現(xiàn)。

4　結(jié)論

①降噪整流裝置能有效阻斷管道內(nèi)超聲波的噪聲傳播，有一定范圍的降噪作用；

②在彎道和閥門的下游安裝降噪整流裝置，能使得超聲波流量計(jì)測量準(zhǔn)確度不受影響；

③安裝降噪整流裝置的超聲波流量計(jì)的重復(fù)性要明顯好于未安裝降噪整流裝置的超聲波流量計(jì)的重復(fù)性。

參考文獻(xiàn)：

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本文作者：李冰  王貴周  汪峰

作者單位：濰坊港華燃?xì)庥邢薰?/span>

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