摘　要：介紹用于氣體超聲波流量計的降噪整流裝置的結構和原理以及在降噪和整流方面的試驗。通過測試調壓器產(chǎn)生的超聲波噪聲對超聲波流量計的干擾情況來驗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的相對誤差和重復性來驗證降噪整流裝置的整流效果。試驗數(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受管道內(nèi)紊亂氣流影響所導致的準確度變差的問題，安裝降噪整流裝置的超聲波流量計的重復性要明顯好于未安裝降噪整流裝置的超聲波流量計的重復性。

關鍵詞：超聲波流量計；  降噪；  整流；  準確度；相對誤差；  重復性

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、數(shù)字技術和聲楔材料等技術的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術發(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已相繼出現(xiàn)，其應用涉及到各個領域，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。目前超聲波流量計主要分為單聲道流量計和多聲道流量計。單聲道超聲波流量計結構簡單、使用方便，但這種流量計對流態(tài)分布變化適應性差，測量準確度不易控制。由于調壓器等影響，管道內(nèi)容易產(chǎn)生超聲波噪聲進而影響超聲波流量計的正常工作。孫金明等介紹了調節(jié)閥噪聲的衰減措施以及對調節(jié)閥噪聲導致的超聲波流量計故障案例進行了分析^[1]。為了解決管道內(nèi)氣體流態(tài)不穩(wěn)定導致的計量不精確和超聲波噪聲對超聲波流量計的干擾等問題，山東思達特測控設備有限公司研制出了基于時差法單聲道超聲波流量計用降噪整流裝置，并獲得實用新型專利證書^[2]。

降噪整流裝置是基于流體在管道內(nèi)的分布狀態(tài)特點和超聲波的測量原理進行研制的，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)則氣流或把旋轉的氣流變?yōu)橹本€流動的氣流。

2　降噪整流裝置的結構及原理

本降噪整流裝置的降噪整流效果是用AS系列以時間差齒為算法的單聲道超聲波流量計(以下簡稱AS超聲波流量計)進行測試的。這種以時間差法為算法的單聲道超聲波流量計的測量實際為測量管道內(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，下游的流場會不穩(wěn)定，為了保證管道內(nèi)流場的穩(wěn)定，超聲波流量計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)部組件構成，其中內(nèi)部組件包括一級整流元件、補償元件和二級整流元件等^[2]。降噪整流裝置結構見圖1。

氣體由入口進入，經(jīng)導流錐進入一個比所測量的管道標準口徑尺寸更大的擴容氣室。不管進口前端氣體如何分布，在擴容氣室內(nèi)將進行重新分布，然后經(jīng)過一級整流元件對氣體進行降噪和初級整流。經(jīng)過一級整流元件后，氣體在標準氣室內(nèi)的密度會變得很均勻，在此處的氣體流場基本定型。經(jīng)過一級整流元件后氣體進入補償元件，在補償元件實現(xiàn)對氣體流場的再次分布。補償元件與二級整流元件之間有緩沖氣室。氣體經(jīng)過補償元件后經(jīng)緩沖氣室到二級整流元件，在二級整流元件對氣體進行二級整流，經(jīng)過二級整流后，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

本試驗的驗證主要分為三個部分。第一部分，對本降噪整流裝置的降噪效果進行測試。第二部分，通過對比超聲波流量計的相對誤差對本降噪整流裝置的整流效果進行測試。第三部分，通過對比超聲波流量計的重復性對本降噪整流裝置的整流效果進行測試。

3.1　降噪效果測試

試驗中，用來產(chǎn)生超聲波噪聲的設備是調壓器。在氣體流動的過程中，調壓器兩側的壓力差越大所產(chǎn)生的超聲波噪聲越大。本測試的方法是：在一個容積為5m³的緩沖罐中充入空氣，使其內(nèi)部達到500kPa左右的絕對壓力，緩沖罐的一側接有DN 50mm的管道，管道上依次接有蝶閥、壓力表1、調壓器、降噪整流裝置、AS超聲波流量計、壓力表2和球閥。為了模擬實際使用現(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與調壓器相距15D，調壓器與降噪整流裝置相距5D，降噪整流裝置與AS超聲波流量計直接連接，超聲波流量計與壓力表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超聲波流量計規(guī)格為DN 50mm，始動流量為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。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閉，向緩沖罐里充空氣并達到絕對壓力為500kPa左右，為保證緩沖罐內(nèi)壓力在500kPa左右，整個試驗過程由空氣壓縮機對其持續(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，此時緩緩打開球閥，流量計上會顯示流量，通過調節(jié)球閥的開度來調節(jié)流量的大小。在調節(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。

試驗過程分兩種情況完成：一是超聲波流量計配帶有降噪整流裝置，二是超聲波流量計沒有配帶降噪整流裝置。試驗表明：沒有配帶降噪整流裝置的超聲波流量計，工況流量達到約13m³／h，壓力表1的絕對壓力值為503kPa左右且壓力表2的絕對壓力值為114kPa左右時，由于超聲波噪聲的影響，超聲波流量計出現(xiàn)了不計量報警狀態(tài)。配帶降噪整流裝置的超聲波流量計，工況流量達到約87m³／h，壓力表1的絕對壓力值為503kPa左右且壓力表2的絕對壓力值為114kPa左右時，由于超聲波噪聲的影響，超聲波流量計出現(xiàn)了不計量報警狀態(tài)。相同條件下，流速越大則噪聲越大。通過數(shù)據(jù)對比可以看出，當安裝相同的調壓器，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在出現(xiàn)不計量報警狀態(tài)時的流速遠遠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，聲道越多，計量準確度越高，性能越可靠，對于單聲道超聲波流量計而言，其更易受紊亂氣流的影響?，F(xiàn)場安裝使用的管道結構不同，流體流場不同，對超聲波流量計的性能也有影響。為了更加精確地測試降噪整流裝置的整流效果，需分別進行超聲波流量計的誤差測試和重復性測試。

3．2．1對AS超聲波流量計的相對誤差測試

在管道內(nèi)氣體經(jīng)過彎道或者閥門后，流場會有大的改變，如果后面直接連接超聲波流量計，則會使得測量的誤差偏大。在各類閥門中，蝶閥對流場影響比較大，因此在試驗中選擇了蝶閥代表各類閥門對氣體流場的影響。為了研究各種彎道和蝶閥對超聲波流量計的影響，特做了如下試驗進行測試。測試是在山東思達特公司校驗實驗室標準表校驗裝置上進行的。此標準表校驗裝置是經(jīng)過市計量部門認證的裝置，準確度等級為0.5級。

試驗的方法為：在標準表校驗裝置上被檢表的位置安裝好待測的儀器后，按照校驗流量計的方法分別對qmin、0.1qmax、qt、0.4qmax、0.7qmax和qmax的流量點進行校驗。qmin為流量計的標稱最小流量；qmax為流量計的標稱最大流量；qt為分界流量，即流量范圍被分割成“高區(qū)”和“低區(qū)”的分界點的流量，“高區(qū)”的準確度等級為流量計的標稱準確度等級，“低區(qū)”的準確度等級為流量計的標稱準確度等級的2倍。

試驗的流程為：先在被檢表位置安裝降噪整流裝置和AS超聲波流量計，在無干擾源的情況下進行檢定；檢定完成后在降噪整流裝置的上游安裝上干擾源，按照以上流量點再次進行檢定。檢定完畢后統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進行分析，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在所測的5種干擾源環(huán)境下相對誤差在±0.5％左右，由于本AS超聲波流量計的準確度等級為1.5級，其最大允許的相對誤差為±1.5％，因此，安裝降噪整流裝置后，干擾源將不影響本AS超聲波流量計的準確度。

為了使試驗結果更有對比性和說服力，對沒有安裝降噪整流裝置的AS超聲波流量計進行了相同的試驗。試驗完畢后對數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，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誤差偏離非常大，最大達到了-76.11％左右。因半開的蝶閥能使氣流的方向傾斜向管壁，對AS超聲波流量計的計量結果影響最為突出。在檢定qmax流量點時因受斜向氣流的干擾，AS超聲波流量計出現(xiàn)了不計量報警的異常狀態(tài)。在超聲波流量計的電子系統(tǒng)中，能有效剔除由混響、電磁干擾等引起的計量誤差的算法不能消除機械情況下的干擾引。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AS超聲波流量計的重復性測試

由于噴嘴校驗裝置的自身重復性很好，這樣噴嘴校驗裝置就能體現(xiàn)流量計的重復性這一參數(shù)。通過測試超聲波流量計的重復性從而對降噪整流裝置的整流效果的測試是在山東思達特公司校驗實驗室噴嘴校驗裝置上進行的。本裝置是經(jīng)過國家計量部門檢定合格的裝置，準確度等級為0.3級。

測試方法為：在噴嘴校驗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，然后對其進行檢定。根據(jù)超聲波流量計口徑的大小，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。根據(jù)口徑的不同，統(tǒng)計各個流量點的重復性，見表3。

為了使得試驗結果更具有對比性，把各個口徑的AS超聲波流量計拆下降噪整流裝置后按照所校驗流量點進行檢定，并統(tǒng)計各個流量點的重復性，見表4。

據(jù)國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布的超聲波標準JJG 1030—2007《超聲流量計》的要求，的重復性不能超過相應準確度等級規(guī)定的最相對誤差絕對值的1／5，即作為1.5級的AS流量計的重復性，除分界流量點(qt)以下的應滿足重復性≤0.6％外，其他流量點應滿足≤0.3％。流量計的重復性越小，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超聲波流量計的重復性比不安裝降噪整流裝置的超聲波流量計的重復性要小很多，達到0.5級AS超聲波流量計的重復性的要求。試驗證明降噪整流裝置的整流效果在超聲波流量計的重復性方面也能體現(xiàn)。

4　結論

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測量準確度不受影響；

③安裝降噪整流裝置的超聲波流量計的重復性要明顯好于未安裝降噪整流裝置的超聲波流量計的重復性。

參考文獻：

[1]孫金明，魏巍，閆峰．噪聲對超聲波流量計的影響及案例分析[J]．計量技術，2006(11)：10-12．

[2]郭琪，尹玉國，郭長鵬，等．一種氣體超聲波流量計用降噪整流裝置：中國，ZL 2013 2 0591559．7[P]．2014-O3-26．

[3]段允，王讓定，孫廣清．一種提升時差法超聲波流量計精度的方法[J]．微電子學與計算機，2009(8)：101-103．

本文作者：李冰  王貴周  汪峰

作者單位：濰坊港華燃氣有限公司

  山東思達特測控設備有限公司

  郴州華潤燃氣有限公司