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 超聲波流量計已逐步應(yīng)用到油氣、天然氣等易燃易爆氣體的儲藏、輸送和分配的流量計量中，尤其是在天然氣計量方面,超聲流量計有其獨到的應(yīng)用優(yōu)勢。在大口徑氣體流量測量中,主要采用時差法多聲道超聲流量測量方法[1-2]。在較為成熟的多聲道超聲流量測量方法中,主要采用高斯數(shù)值積分的方法確定聲道的分布位置和求解加權(quán)系數(shù)。但在高斯數(shù)值積分方法中,針對不同流態(tài)流體的流量測量,需要通過標(biāo)定來修正加權(quán)系數(shù)。本文在高斯數(shù)值積分方法的基礎(chǔ)上，完成采用線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法解決免修改權(quán)系數(shù)的流量測量方法研究，并完成適用于大管徑氣體流量測量的多聲道超聲氣體流量測量管段參數(shù)的計算、流量計的機理建模。

2 弦向聲道多聲道超聲氣體流量計工作原理

2.1 多聲道超聲氣體流量計結(jié)構(gòu)

多聲道超聲氣體流量計的組成主要包括:超聲流量計主體(即測量管段部分)、壓力變送器、智能式溫度變送器和流量計算機等4部分,如圖1所示。

2.2 測量管段結(jié)構(gòu)

在氣體流量測量中,由于氣體的黏性較小,一般處于湍流狀態(tài)。而在湍流狀態(tài)下在軸線周圍的流場分布復(fù)雜,脈動現(xiàn)象較為嚴(yán)重[3]。在現(xiàn)場管道安裝條件下,旋轉(zhuǎn)流和渦流現(xiàn)象較為常見[4-5],為了提高超聲氣體流量計的抗干擾能力,多采用交叉對稱偶數(shù)個聲道的布置結(jié)構(gòu)。考慮超聲波傳播效率問題,超聲換能器嵌入安裝在測量管段上。以4交叉聲道超聲氣體流量計為例,4個聲道分別布置在不同的流層上,由工作頻率為200~250 kHz的超聲換能器對構(gòu)成4個聲道流量測量管段。以下理論分析中,選擇管徑D =300mm,各個聲道與軸線方向的夾角φ=60°,如圖2所示。

2.3 多聲道超聲氣體流量計數(shù)學(xué)模型

按照干凈待測氣體設(shè)計,多聲道超聲氣體流量計采用時差法工作原理[4-5]。如圖2所示,第i個弦向聲道沿軸線方向的平均流速為:

tiU、tiD分別為第i個弦向聲道中超聲波逆流和順流傳播的時間測量值。弦向聲道測量管段中,沿軸線方向的平均流速線積分公式為:

選擇在測量管段偏離軸線的ri(i =1,2,3,…)處分布相應(yīng)的聲道,式(2)的數(shù)值積分公式為:

式(3)即為多聲道超聲氣體流量計在斷截面上的平均流速(即瞬時流速)。

體積流量計算公式為:

3 四聲道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超聲氣體流量計建模

3.1 換能器位置的確定[6]

式(2)變換為:

假設(shè)x=r/R,選擇ρ(x) =1時,即:f(x) =R2(1-x2) 1/2 V(Rx),式(5)寫成:

式(6)滿足Gauss-Legendre求積公式的形式和邊界條件。根據(jù)Legendre正交多項式求出其節(jié)點數(shù)。4聲道超聲氣體流量計取N =4,由4個高斯節(jié)點確定4個聲道換能器對在測量管段中的分布位置(如表1所示)。

根據(jù)表1中的ri/R值,計算出各個聲道的分布的位置為:r1=129.165mm,r2=51 mm,r3=-51 mm,r4=-129.165 mm。

3.2 權(quán)系數(shù)的線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解

如圖3為4個輸入端單層線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。4個輸入端V(r1) ~V(r4)分別為4個聲道的沿軸線方向的平均流速,流過測量管段橫截面的平均流速V為4個聲道的平均流速根據(jù)權(quán)系數(shù)W1~W4加權(quán)求和而得。

根據(jù)普朗特的湍流流速分布公式[6],有:

已知管道平均流速V實,可以推導(dǎo)出:

氣體流速的測量范圍通常為0. 5~30 m/s,根據(jù)式(8)求解出在測量范圍內(nèi)各個聲道沿軸線方向的平均流速(學(xué)習(xí)樣本值)。要求目標(biāo)輸出誤差小于0. 001,按照W idrow-Hoff學(xué)習(xí)規(guī)則,利用leanrwh函數(shù)來修正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值。通過MATLAB及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱,求解出在流速測量范圍內(nèi),不同聲道的輸入值對應(yīng)的權(quán)系數(shù)。學(xué)習(xí)曲線如圖4所示,求解出的權(quán)系數(shù)如表2所示。

儀器出廠前學(xué)習(xí)不同流態(tài)的樣本,得到合適的權(quán)系數(shù)。在實際測量中,根據(jù)各聲道流速值通過插值算法來匹配最佳的一組權(quán)系數(shù),從而達到自適應(yīng)加權(quán)求和,得到氣體流速和體積流量值。

3.3 理論計算誤差分析

對于氣體流速V實在0. 5~30 m/s的范圍,通過式(8)可計算出各個流層的平均流速V(ri),再由式(4)計算出測量系統(tǒng)的測量值V。根據(jù)誤差計算公式E=(V-V實)/V實×100%,通過MATLAB仿真計算流量計的測量誤差曲線如圖5所示。

4 考慮渦流流態(tài)的影響

在現(xiàn)場安裝條件下,渦流、旋轉(zhuǎn)流和脈動流均是影響超聲波流量計測量精度的因素。由于脈動流主要出現(xiàn)在軸線上,偶數(shù)聲道測量管段從結(jié)構(gòu)避免脈動流的影響。

根據(jù)文獻[4]計算仿真的一個3D管段下所考慮漩渦流影響的流速剖面數(shù)學(xué)模型:

經(jīng)計算,可以推導(dǎo)出式(8)。即考慮渦流影響下的數(shù)學(xué)模型計算權(quán)系數(shù)與考慮一般湍流流態(tài)的情況一樣[7]。

文獻[8]中研究了2、3聲道適合液體流量計的線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,本文研究了4聲道以上的多聲道超聲氣體流量測量方法,可以做到免修正系數(shù)測量。從理論計算結(jié)果看,其測量誤差為10-5,遠小于0. 1%。在實驗室零流流速測量中,測量誤差不超過0. 25%,能夠滿足實際應(yīng)用中氣體流量測量與計量的要求。