解析BURKERT流量計(jì)時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法研究
    BURKERT流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)是非實(shí)流校準(zhǔn)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)建立超聲波流量計(jì)時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑氣體超聲流量計(jì)傳播時(shí)間的非實(shí)流校準(zhǔn)。該文提出3種不同的超聲流量計(jì)傳播時(shí)間校準(zhǔn)方法，分析不同方法的影響因素，其次通過(guò)改變探頭間距離，對(duì)不同探頭間距時(shí)超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間的測(cè)量誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間的測(cè)量誤差隨距離變化，并確定利用標(biāo)準(zhǔn)聲速對(duì)超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間進(jìn)行修正的方法更為準(zhǔn)確，測(cè)量結(jié)果不確定度為0.2%。
    BURKERT流量計(jì)溫室氣體的減排越來(lái)越受到關(guān)注，地控制和減少溫室氣體的排放是當(dāng)前人類(lèi)共同面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)[1-2]。有研究報(bào)告指出，35%左右的CO2排放主要來(lái)自于電力及熱力[3-5]。2017年，碳交易市場(chǎng)全面開(kāi)啟，批納入了電力[6]。對(duì)于個(gè)大型企業(yè)，每年二氧化碳排放量可能達(dá)到幾，核算排放量數(shù)據(jù)差異1%，就會(huì)涉及幾百萬(wàn)元的碳交易配額；因此，碳交易的準(zhǔn)確計(jì)量關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)碳交易市場(chǎng)的碳排放量核算方法還是基于燃料端計(jì)算，對(duì)于使用固體燃料的企業(yè)，由于固體燃料的不均勻性，會(huì)造成燃料端核算碳排放量數(shù)據(jù)不確定度較大。為了進(jìn)步提高碳核查的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，電力聯(lián)合會(huì)正在組織驗(yàn)證煙道連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）作為碳核查方法的可行性。
    煙道碳排放量測(cè)量需要同時(shí)測(cè)量煙道中的二氧化碳濃度和煙道流量，通常煙道濃度測(cè)量具有較高的準(zhǔn)確度（RSD約為1%~5%），而煙道流量的測(cè)量準(zhǔn)確度往往偏低（RSD約為3%~50%）。由于煙道口徑較大，且具有高溫高濕、流動(dòng)復(fù)雜、湍流度高等特點(diǎn)，常規(guī)方法很難準(zhǔn)確測(cè)量；多聲道超聲波流量計(jì)是種非接觸式的高準(zhǔn)確度測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)多條線上的平均流速，使用高斯積分計(jì)算得到流量，其準(zhǔn)確度往往能夠優(yōu)于5%[7-8]。
    BURKERT流量計(jì)由于氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置口徑的限制，常規(guī)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)中大口徑煙道流量計(jì)都無(wú)法進(jìn)行校準(zhǔn)；但超聲波流量計(jì)的測(cè)量具有清晰的物理模型，其聲道流速的測(cè)量通過(guò)幾何參數(shù)和時(shí)間參數(shù)測(cè)量獲得，因此可以通過(guò)對(duì)幾何參數(shù)和時(shí)間參數(shù)分別進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲道流速的校準(zhǔn)[9]。
    BURKERT流量計(jì)時(shí)間測(cè)量誤差主要來(lái)自于超聲信號(hào)在探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳播延時(shí)、電纜長(zhǎng)度、硬件電路以及算法等[10]。每個(gè)探頭對(duì)，因?yàn)橹谱鞑豢赡?致，所以也會(huì)有所差異。部分流量計(jì)為了減少超聲傳播時(shí)間的測(cè)量誤差，會(huì)根據(jù)探頭匹配層、保護(hù)層的材質(zhì)和厚度，以及線纜的材質(zhì)和長(zhǎng)度計(jì)算出個(gè)系統(tǒng)延時(shí)量，并對(duì)流量計(jì)的所有聲道使用統(tǒng)的修正值進(jìn)行修正[11]。然而，雖然這種修正方式可以減小超聲流量計(jì)超聲平均傳播時(shí)間測(cè)量誤差，但并不能確保其精度達(dá)到流量計(jì)所需標(biāo)準(zhǔn)。本文主要對(duì)超聲傳播時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)行研究，建立超聲流量計(jì)時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)裝置，通過(guò)比較3種超聲時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法，得到非常優(yōu)計(jì)算超聲時(shí)間測(cè)量誤差的方法，并計(jì)算該方法的測(cè)量不確定度水平。
    1超聲流量計(jì)非實(shí)流校準(zhǔn)
    由超聲波流量計(jì)的時(shí)差法測(cè)量原理[12-13]可知，利用超聲波信號(hào)在順流和逆流方向傳播時(shí)間的差異，能夠測(cè)量聲道線體的平均流速。超聲流量計(jì)線速度測(cè)量模型如下式所示：
    BURKERT流量計(jì)的聲道流速測(cè)量準(zhǔn)確度主要取決于幾何參數(shù)（L、?）和時(shí)間參數(shù)（t順、t逆）的測(cè)量準(zhǔn)確度。所以，在對(duì)超聲流量計(jì)進(jìn)行聲道速度非實(shí)流校準(zhǔn)時(shí)，需要對(duì)超聲順流傳播時(shí)間t順、逆流傳播時(shí)間t逆進(jìn)行校準(zhǔn)。
    2超聲流量計(jì)時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法
    2.1雙聲道長(zhǎng)度法（方法）
    假設(shè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，裝置中空氣溫度、大氣壓力基本保持恒定，超聲波聲速基本保持致，超聲信號(hào)在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，在不同的距離下，時(shí)間測(cè)量誤差Δt不變。如圖1所示，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同探頭間的距離L1和L2，其中t1為探頭間距離為L(zhǎng)1時(shí)流量計(jì)測(cè)得超聲信號(hào)傳播時(shí)間，而t1+Δt為超聲波在兩探頭間傳播的實(shí)際時(shí)間，用距離L1除以此時(shí)間量可得超聲波聲速大小。改變探頭間距離到L2，同樣可以得到相近的公式，就能夠計(jì)算得出超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差 Δt 的大?。?br />    超聲傳播時(shí)間校準(zhǔn)裝置原理圖
    2.2 雙聲道長(zhǎng)度溫度補(bǔ)償法（方法二）
    在上述測(cè)量過(guò)程中，空氣溫度可能發(fā)生變化，導(dǎo)致聲速發(fā)生變化，為了消除在測(cè)量過(guò)程中溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的影響，可以對(duì)式（2）進(jìn)行修正。假設(shè)超聲信號(hào)在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中傳播時(shí)間誤差 Δt 相同，超聲波在空氣中傳播，干燥空氣中的聲速 [14] 為
    兩個(gè)方向的傳播時(shí)間測(cè)量誤差在同探頭間距離下基本吻合。當(dāng)探頭間距離改變時(shí)，時(shí)間測(cè)量誤差 Δt 發(fā)生較大變化。當(dāng)超聲探頭間距離為 300~600 mm 時(shí)，Δt 較為穩(wěn)定，當(dāng)超聲探頭間距離大于 800 mm 時(shí)，Δt 變化 較大。在不同距離測(cè)量的 Δt 的平均值為?0.013 6 ms。
    4.2 雙聲道長(zhǎng)度溫度補(bǔ)償法數(shù)據(jù)分析（方法二）
    根據(jù)方法二計(jì)算得到的超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差如圖 4 所示。可以看出按照方法二得到的時(shí)間測(cè)量誤差的數(shù)據(jù)和方法較為致。將兩種方法的超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差數(shù)據(jù)繪制在同圖中進(jìn)行比較，如圖 5所示。
    方法二超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差
    雖然方法二增加了溫度修正，考慮到溫度變化對(duì)聲速的影響，但結(jié)果表明, 兩種方法計(jì)算得到的時(shí)間測(cè)量誤差 Δt 在相同的距離下基本是致的。說(shuō)明溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果 Δt 的影響不大。此外，兩條曲線的致性表明，在不同探頭間距離下得到的時(shí)間測(cè)量誤差的差異不是由于溫度變化造成的。
    方法和方法二超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差比較
   BURKERT流量計(jì)單聲道長(zhǎng)度法（方法三）
    BURKERT流量計(jì)根據(jù)方法三計(jì)算得到的超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差如圖 6 所示。
    BURKERT流量計(jì)超聲傳播時(shí)間測(cè)量誤差隨著距離的增加總體上是增加的，當(dāng)探頭間距離為 800~1 000 mm 時(shí)，Δt 有比較小的反向變化。在不同距離測(cè)量的 Δt 的平均值為?0.001 4 ms，與前兩種方法的平均值不致。對(duì)比接近探頭間距離時(shí)的 Δt，其數(shù)值是變化的。因?yàn)?Delta;t 是變化的，所以方法和方法二的假設(shè)不成立。
    BURKERT流量計(jì)方法三根據(jù)實(shí)測(cè)溫度和壓力擬合得到標(biāo)準(zhǔn)聲速，實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行多點(diǎn)溫度壓力測(cè)量，取平均值，消除空間溫度和壓力不均勻性的影響，使用 REFPROP軟件獲得標(biāo)準(zhǔn)聲速準(zhǔn)確度高。