一種天然氣能量計量超聲氣體流量計
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圖4-傳播時間測量的原理
聲道在斷面上的布置結構對流量計的性能有很重要的影響。已經有很多不同聲道斷面的文章發表，典型的為3-6個聲道，其中應用了直接傳播和反彈聲道技術。
對于TotalSonic流量計（圖5），選擇使用了4聲道斷面布置。這一點與Whyler[3]建議的非常相似。
圖5-TotalSonic流量計聲道斷面圖
? SICK公司（見后面）發展起來的高精度測量時間的換能器技術不需要擴展聲道長度。這種測量在總不確定度的貢獻小于10%--在大口徑時就更小；
? 不采用彈性聲道的技術消除了管內的反射點。這一點可以改變它的一些特征，比如因雜質或管壁粗糙程度而產生了附加不確定度的特征。表體的機械加工被簡化了，因而降低了生產成本；
? 反射的避免節約了聲能。這使得可以減小電源輸入，允許在所有的操作條件下包括大氣壓、氣體低密度（H2）或高聲能衰減（CO2）等運行更大口徑的流量計；
? 這種特殊的聲道斷面布置結構可以很好地補償（但不測量）由于旋渦流引起的測量偏差。這一點通過高壓、常壓下大量試驗已得到證實；
? 采用4聲道，并且具有補償旋渦流功能的聲道布置結構的流量計，比采用6聲道，但可以獨立測量旋渦流補償的流量計節省了成本。這一點使得超聲技術的成本比較接近于機械技術。
3.3 換能器技術
眾所周知，換能器是超聲流量計的核心和起決定性作用的部件。大多數現在應用的換能器采用所謂聲學匹配層來與氣體阻抗和固體表體匹配。
SICK/ABB的換能器技術基于全金屬設計，不使用任何匹配層（圖6）。這種阻抗的匹配通過完全用鈦制造的聲能變壓器的特別設計來實現。設計工藝基于兩個要點：
1.20年的換能器設計經驗用于控制發射的高熱可燃性氣體流量計量系統中；
2.強大的理論支持--所有的換能器使用FEM方法和電機轉換技術，從理論上建立了模型。
圖6-換能器
? 換能器小型化使得前面描述的聲道斷面布置結構適用于小口徑（3″和4″），這樣流量計可以造的很緊湊；
? 傳播時間的高精度測量使得60°安裝成為可能--這使得換能器端口或換能器突入流體的部件造成的紊亂得以減小；
? 金屬聲能變壓器具有高效性--使得流量計可以在常壓和高到100bar的高壓下用同一種類型的換能器操作；
? 理論模型允許對設計參數進行有效的控制。這使得壓力和溫度不依賴于換能器性能，不需要進行補償；
? 不使用匹配層和溫度敏感膠的作法允許系統在高達200℃的溫度下操作；
? 換能器機械制造的高再現性保障了傳播時間測量的高再現性。這是換能器在不改變流量計基線的情況下變換的前提；
? 很高的信號強度和寬波使得可以在非常高的氣體速度下測量（可以允許40-80m/sec，決定于流量計管徑大小）；
? 使用高頻率防止電子管等安裝設備的噪聲妨礙。
有好幾種工具可用來設計換能器和檢查結果。作為一個例子在參考文獻[4]中介紹了干涉測量法。
3.4 聲速測量
測定的聲速正比于傳播時間差。兩個傳播時間倒數求和可以得到聲速。
另一種獨立的自診斷功能可以產生于流量計，不需要使用氣體組成的數據。基于管道內沒有溫度分配的假設，所有聲道的聲速會被限于一個誤差限內，比如0.1%。
3.5 流量計結構
流量計的結構要使得超聲技術應用的比現在更普遍，這是超聲流量計（專利沒有限定結構）總體設計目標。這些想法包括：
? 使用要簡單化，包括校準；
? 跟其它測量技術（比如渦輪流量計）有相同的應用基礎和接口連接；
? 不同外徑結構，沒有外在換能器纜線；
? 在不降低準確度的前提下，生產技術使得成本降低。
流量計表體使用鋼鑄件制成，這會降低生產和測試費用。精確加工保證很高的再現性。通常與焊接有關的收縮、扭曲變形、不圓整被完全避免了。流量計表體整體化組裝，把所有的換能器和纜線放入封套內。
圖7-去掉外殼的4個換能器和纜線側視圖
對所有4″管徑，流量計表體的底座長度為3D（D為管道內徑，下同）。這一點與其它的流量計比如渦輪流量計是一致的。因而流量計可以在相同的安裝位置使用，甚至取代原先安裝在那里的渦輪流量計等測量設備。
操作4聲道流量計所需要的所有電子元件，用于信號計算和流量計通信，都安裝在頂部的小盒子里。這種界面用于在一側與流量計兼容（雙脈沖輸出），在另一側與前面敘述的先進系統兼容（與前面描述的系統Modbus界面連接）。
流量計提供以下數據：
? 2個獨立的雙向體積計數器，2個誤差體積計數器；
? 實際條件下的體積流量；
? 管道速度、聲速；
? 狀態參數（只針對連續運行）。
所有的電器都是低電源設計，允許太陽能供電，包括太陽能面板適配的控制電路。
流量計的生產資質符合ATEX和CSA要求，并遵守歐洲PED（壓力設備指導）和U.S.DOT102條例。歐洲許多國家的型式批準在關聯交易中可以使用，并且在北美的西南研究院（SwRI）作了檢定測試。
3.6校準
今天，許多流量計在對外銷售時附帶大氣壓下的校準證書。在商業應用場合，常常需要價格昂貴的高壓校準--有時包括完全的流量計運轉。
TotalSonic流量計提供了在大氣壓條件下校準的可能性（如果用戶接受的話）作為那個時刻的標準校準。在操作壓力下對基線進行雷諾數校正，數據可以用計算機計算出來，并且存儲在系統文件中。這造成了費用上的真正節省。
AGANO9號報告中[6]描述的程序不是真正的校準，只是把影響流量計準確度的各參數調整到它們的實際值。
對前面描述的與流量計性能有關的系統中各個組成部分，應用最新的最成熟的生產技術，在不久的將來，將會產生真正的“干校”技術。如果我們對系統各個組成部分都能成功地復現基本流量計的參數--比如測定傳播時間的換能器和電子電路，再比如決定幾何結構尺寸的部件象換能器和線軸元件。與基本流量計相比，在特定的安裝條件下，二次表會有相同的性能。這意味著系統組成元件生產的復現性和系統組裝的復現性會決定系統性能的再現性和可預知的準確度。此外，還可以節省校準費用。
很顯然，這種方案還有一些缺陷。當然從技術和經濟的角度來看，制造的“零”偏差是不切實際的。因此，必須有足夠的允許誤差。由于測量結果的數據分散，必須有統計學上要求的足夠數量的測試次數。由于到目前為止這種流量計生產的數量只有很少的幾百臺--要想有長足的進步，就必須有更大數量的流量計用很好的實測數據來支持假設和理論計算。
4 測試結果
在過去生產了幾臺流量計（口徑從4″到16″）來證明流量計性能穩定和制造工藝成熟。除了4″的，所有的流量計都有4個聲道。4″的流量計用了3個聲道。大多數這些流量計在常壓和高壓測試設備上進行實驗，使用了不同的壓力、溫度和測試氣體（空氣、天然氣）。由于這些新型的流量計也可以在常壓條件下測量，直到口徑大到10″的這些流量計至少在SICK公司自己的常壓測試設備上進行過測試。在2000年3月份到2002年6月份，在Groningen和SanAntonio對最初的原型和后來的預生產裝置進行了測試。
在那個時期內，流量計的性能和一系列的安裝效果對測試地點發生作用。此外，流量計對電子管噪聲的敏感性和過范圍性能（在4″管道上大到83m/s）也得到測試。對收集到的數據進行系統分析顯示出了對雷諾數的依賴性。現在軟件中可以實現對這種影響的校正。
這里提出的數據是這些測試的舉例，它顯示了有關流量計性能的一些有意義的方面。最初測試的時候沒有進行雷諾數校正，后來對未修正的數據進行了再加工。為了證明對流量計緊固件的正確校正，2002年6月的最后一個測試系列中，進行了雷諾數的校正。這個測試系列覆蓋了特別低的流量點。結果表明，這種校正提高了低流量測試的性能，流量計正常工作（見低流量校準）。 孔板流量計相關文章:孔板流量計原理 熱式質量流量計相關文章:熱式質量流量計原理 流量計相關文章:流量計原理
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