一种天然气能量计量超声气体流量计
图4-传播时间测量的原理
声道在断面上的布置结构对流量计的性能有很重要的影响。已经有很多不同声道断面的文章发表，典型的为3-6个声道，其中应用了直接传播和反弹声道技术。
对于TotalSonic流量计（图5），选择使用了4声道断面布置。这一点与Whyler[3]建议的非常相似。
图5-TotalSonic流量计声道断面图
• SICK公司（见后面）发展起来的高精度测量时间的换能器技术不需要扩展声道长度。这种测量在总不确定度的贡献小于10%--在大口径时就更小；
• 不采用弹性声道的技术消除了管内的反射点。这一点可以改变它的一些特征，比如因杂质或管壁粗糙程度而产生了附加不确定度的特征。表体的机械加工被简化了，因而降低了生产成本；
• 反射的避免节约了声能。这使得可以减小电源输入，允许在所有的操作条件下包括大气压、气体低密度（H2）或高声能衰减（CO2）等运行更大口径的流量计；
• 这种特殊的声道断面布置结构可以很好地补偿（但不测量）由于旋涡流引起的测量偏差。这一点通过高压、常压下大量试验已得到证实；
• 采用4声道，并且具有补偿旋涡流功能的声道布置结构的流量计，比采用6声道，但可以独立测量旋涡流补偿的流量计节省了成本。这一点使得超声技术的成本比较接近于机械技术。
3.3 换能器技术
众所周知，换能器是超声流量计的核心和起决定性作用的部件。大多数现在应用的换能器采用所谓声学匹配层来与气体阻抗和固体表体匹配。
SICK/ABB的换能器技术基于全金属设计，不使用任何匹配层（图6）。这种阻抗的匹配通过完全用钛制造的声能变压器的特别设计来实现。设计工艺基于两个要点：
1.20年的换能器设计经验用于控制发射的高热可燃性气体流量计量系统中；
2.强大的理论支持--所有的换能器使用FEM方法和电机转换技术，从理论上建立了模型。
图6-换能器
• 换能器小型化使得前面描述的声道断面布置结构适用于小口径（3″和4″），这样流量计可以造的很紧凑；
• 传播时间的高精度测量使得60°安装成为可能--这使得换能器端口或换能器突入流体的部件造成的紊乱得以减小；
• 金属声能变压器具有高效性--使得流量计可以在常压和高到100bar的高压下用同一种类型的换能器操作；
• 理论模型允许对设计参数进行有效的控制。这使得压力和温度不依赖于换能器性能，不需要进行补偿；
• 不使用匹配层和温度敏感胶的作法允许系统在高达200℃的温度下操作；
• 换能器机械制造的高再现性保障了传播时间测量的高再现性。这是换能器在不改变流量计基线的情况下变换的前提；
• 很高的信号强度和宽波使得可以在非常高的气体速度下测量（可以允许40-80m/sec，决定于流量计管径大小）；
• 使用高频率防止电子管等安装设备的噪声妨碍。
有好几种工具可用来设计换能器和检查结果。作为一个例子在参考文献[4]中介绍了干涉测量法。
3.4 声速测量
测定的声速正比于传播时间差。两个传播时间倒数求和可以得到声速。
另一种独立的自诊断功能可以产生于流量计，不需要使用气体组成的数据。基于管道内没有温度分配的假设，所有声道的声速会被限于一个误差限内，比如0.1%。
3.5 流量计结构
流量计的结构要使得超声技术应用的比现在更普遍，这是超声流量计（专利没有限定结构）总体设计目标。这些想法包括：
• 使用要简单化，包括校准；
• 跟其它测量技术（比如涡轮流量计）有相同的应用基础和接口连接；
• 不同外径结构，没有外在换能器缆线；
• 在不降低准确度的前提下，生产技术使得成本降低。
流量计表体使用钢铸件制成，这会降低生产和测试费用。精确加工保证很高的再现性。通常与焊接有关的收缩、扭曲变形、不圆整被完全避免了。流量计表体整体化组装，把所有的换能器和缆线放入封套内。
图7-去掉外壳的4个换能器和缆线侧视图
对所有4″管径，流量计表体的底座长度为3D（D为管道内径，下同）。这一点与其它的流量计比如涡轮流量计是一致的。因而流量计可以在相同的安装位置使用，甚至取代原先安装在那里的涡轮流量计等测量设备。
操作4声道流量计所需要的所有电子元件，用于信号计算和流量计通信，都安装在顶部的小盒子里。这种界面用于在一侧与流量计兼容（双脉冲输出），在另一侧与前面叙述的先进系统兼容（与前面描述的系统Modbus界面连接）。
流量计提供以下数据：
• 2个独立的双向体积计数器，2个误差体积计数器；
• 实际条件下的体积流量；
• 管道速度、声速；
• 状态参数（只针对连续运行）。
所有的电器都是低电源设计，允许太阳能供电，包括太阳能面板适配的控制电路。
流量计的生产资质符合ATEX和CSA要求，并遵守欧洲PED（压力设备指导）和U.S.DOT102条例。欧洲许多国家的型式批准在关联交易中可以使用，并且在北美的西南研究院（SwRI）作了检定测试。
3.6校准
今天，许多流量计在对外销售时附带大气压下的校准证书。在商业应用场合，常常需要价格昂贵的高压校准--有时包括完全的流量计运转。
TotalSonic流量计提供了在大气压条件下校准的可能性（如果用户接受的话）作为那个时刻的标准校准。在操作压力下对基线进行雷诺数校正，数据可以用计算机计算出来，并且存储在系统文件中。这造成了费用上的真正节省。
AGANO9号报告中[6]描述的程序不是真正的校准，只是把影响流量计准确度的各参数调整到它们的实际值。
对前面描述的与流量计性能有关的系统中各个组成部分，应用最新的最成熟的生产技术，在不久的将来，将会产生真正的“干校”技术。如果我们对系统各个组成部分都能成功地复现基本流量计的参数--比如测定传播时间的换能器和电子电路，再比如决定几何结构尺寸的部件象换能器和线轴元件。与基本流量计相比，在特定的安装条件下，二次表会有相同的性能。这意味着系统组成元件生产的复现性和系统组装的复现性会决定系统性能的再现性和可预知的准确度。此外，还可以节省校准费用。
很显然，这种方案还有一些缺陷。当然从技术和经济的角度来看，制造的“零”偏差是不切实际的。因此，必须有足够的允许误差。由于测量结果的数据分散，必须有统计学上要求的足够数量的测试次数。由于到目前为止这种流量计生产的数量只有很少的几百台--要想有长足的进步，就必须有更大数量的流量计用很好的实测数据来支持假设和理论计算。
4 测试结果
在过去生产了几台流量计（口径从4″到16″）来证明流量计性能稳定和制造工艺成熟。除了4″的，所有的流量计都有4个声道。4″的流量计用了3个声道。大多数这些流量计在常压和高压测试设备上进行实验，使用了不同的压力、温度和测试气体（空气、天然气）。由于这些新型的流量计也可以在常压条件下测量，直到口径大到10″的这些流量计至少在SICK公司自己的常压测试设备上进行过测试。在2000年3月份到2002年6月份，在Groningen和SanAntonio对最初的原型和后来的预生产装置进行了测试。
在那个时期内，流量计的性能和一系列的安装效果对测试地点发生作用。此外，流量计对电子管噪声的敏感性和过范围性能（在4″管道上大到83m/s）也得到测试。对收集到的数据进行系统分析显示出了对雷诺数的依赖性。现在软件中可以实现对这种影响的校正。
这里提出的数据是这些测试的举例，它显示了有关流量计性能的一些有意义的方面。最初测试的时候没有进行雷诺数校正，后来对未修正的数据进行了再加工。为了证明对流量计紧固件的正确校正，2002年6月的最后一个测试系列中，进行了雷诺数的校正。这个测试系列覆盖了特别低的流量点。结果表明，这种校正提高了低流量测试的性能，流量计正常工作（见低流量校准）。 孔板流量计相关文章:孔板流量计原理
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