一种用超声波进行轻质油品质量流量测量的方法

摘要

本发明公开了一种用超声波进行轻质油品质量流量测量的方法，涉及轻质油品质量流量测量技术领域。本发明利用实验数据归纳出轻质油品密度、声速和温度的关系，通过超声波速度和温度的测量可以直接得到管道内流动轻质油品的密度。在密度测量的基础上，利用时差法测量出体积流量，从而计算得出轻质油品质量流量。优点：提高测量量精度，其最大相对误差不大于0.24％。

说明书

技术领域

本发明涉及轻质油品质量流量测量技术领域，具体是一种用超声波进行轻质油品质 量流量测量的方法，主要用于轻质成品油的管道输送、加注时的质量流量计量。

背景技术

超声波流量计是通过检测流体流动时对超声脉冲的作用，以测量流体流量的仪表。 超声波流量计不用在流体中安装测量元件，故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻 力，是一种理想的节能型流量测量方法。

超声波在流动的流体中传播时载有流体流速的信息，因此通过接收到的超声波就可 以检测到流体的流速，从而换算成流量。超声波流量计根据测量原理的不同大致可分为 传播速度法(时差法，相位差法和频差法)，多普勒法、相关法和波速偏移法等。目前 技术上比较成熟，应用较多的是时差法和多普勒法。多普勒法超声波流量计依靠管道中 液体杂质的反射来测量水的流速，因此适用于杂质含量较多的脏水和浆体，而且可以测 量连续混入气泡的液体等。对于洁净的轻质燃油比较适宜使用时差法超声测量。

在油料输转、加注中，需要进行质量计量，目前用超声波流量计进行质量流量测量 采取的是温度补偿方法。即利用公式(1)换算出油品密度，然后再由体积流量和密度 计算出质量流量。

ρ＝ρ₀+γ′(20-t)        (1)

式中ρ—油品密度(Kg/公升)

ρ₀—油品在20℃时的标准密度(Kg/公升)

γ′—油品密度修正系数(kg/公斤·℃)

t—油料实时温度(℃)

该方法需要输入每批次油品的标准密度，并根据密度范围查表求出油品密度修正系 数，给精确测量带来不便。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种用超声波进行轻质油品质量流量测 量的方法，提高测量精度。

本发明是以如下技术方案实现的：一种用超声波进行轻质油品质量流量测量的方 法，在超声波质量流量测量中，其流体质量流量q_m可由下式(1)得到:

q_m＝ρq_v＝ρAu   (1)；其中，q_m为质量流量，q_v为体积流量，ρ为油品密度，A 为超声波测量管道截面积，u为流体界面平均流速；

利用时差法进行流体的体积流量测量；利用轻质油品密度与超声波波速的关系进行被测 介质密度测量；其特征在于：密度测量方法通过建立轻质油品密度和温度、声速之间的 模型计算得到，具体如下：

在管道的一侧设置换能器Ⅰ，另一侧设置换能器Ⅱ，假设介质平均流速为u，超声 波从换能器Ⅰ到换能器Ⅱ以及从换能器Ⅱ到换能器Ⅰ的传播时间分别为t12、t21换能 器Ⅰ和换能器Ⅱ之间的连线与管道径向平面之间的夹角为θ，管道超声波在静止介质中 的传播速度为c，换能器管路中心线方向距离为L,忽略测量电路处理时间，则有：

$t_{12}=\frac{L}{c\sin \theta +u}---\left(2\right)$

$t_{21}=\frac{L}{c\sin \theta -u}---\left(3\right)$

经推理，可得出：

$c=\frac{L}{2\sin \theta }(\frac{1}{t_{12}}+\frac{1}{t_{21}})---\left(4\right)$

根据实验数据，通过多层感知建立轻质油品密度、温度和声速之间的关系模型建立 多层感知模型,其中隐含层激活函数为双Log-Sigmoid函数，输出层函数为线性函数,根 据如图3所示网络模型可得出密度计算方法如式(5)～(9)所示；

$t_a=\frac{t-5}{30}---\left(5\right)$

$c_a=\frac{c-1231.134}{137.588}---\left(6\right)$

h₁₁＝-0.367+0.196t_a+0.143c_a    (7)

h₁₂＝-0.139+0.213t_a+0.318c_a        (8)

$\rho =0.358+\frac{0.376}{1+e^{-h_{11}}}+\frac{0.6}{1+e^{-h_{12}}}---\left(9\right)$

式(5)～(9)，t为油料实时温度，ρ为油品密度，c为超声波在静止介质中 的传播速度，ta,ca,h11,h12为中间变量，e为自然对数函数的底数。

本发明的有益效果是：利用实验数据归纳出轻质油品密度、声速和温度的关系，通 过超声波速度和温度的测量可以直接得到管道内流动轻质油品的密度，在密度测量的基 础上，利用时差法测量出体积流量，从而计算得出轻质油品质量流量，提高测量量精度， 其最大相对误差不大于0.24％。

附图说明

图1时延式超声波流量计测量原理图；

图2不同轻质燃油密度与声速曲线图；

图3是多层感知模图；

图4超声波质量流量计测量电路组成图。

具体实施方式

根据现有文献，在超声波质量流量测量中，其其流体质量流量q_m可由式(1)得 到:q_m＝ρq_v＝ρAu    (1)；

其中，q_m为质量流量(kg/S)，q_v为体积流量(L/S)，ρ为油品密度(Kg/L)， A为超声波测量管道截面积(cm²)，u为流体界面平均流速(cm/S)。

本发明中截面平均流速采用插入式时差法测量，其技术方法可见公知的超声波流量 测量方法与技术，不在本发明范围，这里主要说明超声波密度测量方法。

超声波密度测量方法是：首先利用现有时延法超声波流量计的上下游超声波延时， 计算出静止介质超声波传播速度c，然后利用介质密度与超声传播速度c和温度的关系， 计算介质密度，具体实现方式如下。

1、超声波传播速度测量方法。

本发明根据理论分析和实验数据，得到了轻质油品密度与超声波传在静止介质传播 速度和油品密度的关系，给出了由超声在静止介质传播速度和温度直接计算得到密度的 方法。

如图1所示，在管道的一侧设置换能器Ⅰ，另一侧设置换能器Ⅱ，假设介质平均 流速为u，超声波从换能器Ⅰ到换能器Ⅱ以及从换能器Ⅱ到换能器Ⅰ的传播时间分别为 t12、t21(S)换能器Ⅰ和换能器Ⅱ之间的连线与管道径向平面之间的夹角为θ，管道 超声波在静止介质中的传播速度为c(m/S)，两个换能器管路中心线方向距离为L(m), 忽略测量电路处理时间，则有：

$t_{12}=\frac{L}{c\sin \theta +u}---\left(2\right)$

$t_{21}=\frac{L}{c\sin \theta -u}---\left(3\right)$

经推理，可得出：

$c=\frac{L}{2\sin \theta }(\frac{1}{t_{12}}+\frac{1}{t_{21}})---\left(4\right)$

2、轻质油品密度与超声波速度c和温度t的关系。

根据理论分析，液体密度与超声波速度有如下关系:

c²＝K/ρ          (5)

式(5)中，c-管道超声波在静止介质中的传播速度(m/S)，ρ-油品密度(Kg/L)， K-体弹性模量(Pa)

由式(5)可见密度与声速之间有着确定的函数关系。一些公开资料已经证明：纯 净烃类混合物物声速符合用线性混频定律，即混合物的声速等于混合物中所有组分声速 的加权和，可表示为：

$v=\Sigma v_i\frac{x_i}{{\rho }_i}---\left(6\right)$

式(6)中，x_i—各组分体积系数；ρ_i—各组分密度；v_i—声音在第i种组分中的传 播速度。

从式(5)、(6)式可以看出，对不同组分的轻质油品，温度、密度和声速具有确 定的关系。

图2给出了10组不同油品的声速、温度曲线，可以看出随着温度变化，油品密度发 生了变化，但温度和声速的组合可以唯一确定不同油品某一温度下的密度。

虽然温度和声速的组合可以对应不同油品某一温度下的密度，但他们之间有比较复 杂的函数关系。理论证明多层感知器可以无限地逼近非线性函数，因此可以用学习方法， 根据实验数据，通过多层感知建立轻质油品密度、温度和声速之间的关系模型。

以喷气燃料为例，建立多层感知模型如图3所示。参数表如表1所示，其中隐含层激 活函数为双Log-Sigmoid函数，输出层函数为线性函数。根据图3所示网络模型可得出密 度计算方法如式(7)至(11)所示；

$t_a=\frac{t-5}{30}---\left(7\right)$

$c_a=\frac{c-1231.134}{137.588}---\left(8\right)$

h₁₁＝-0.367+0.196t_a+0.143c_a    (9)

h₁₂＝-0.139+0.213t_a+0.318c_a        (10)

$\rho =0.358+\frac{0.376}{1+e^{-h_{11}}}+\frac{0.6}{1+e^{-h_{12}}}---\left(11\right)$

式，t为油料实时温度(℃)，ρ为油品密度(Kg/L)，c为超声波在静止介质 中的传播速度(m/S)，t_a,c_a,h₁₁,h₁₂为中间变量，e为自然对数函数的底数。

根据式(4)以及至式(7)～(11)计算喷气燃料密度结果见表2，可以看出其最 大相对误差不大于0.24％。

表1

参数估计

表2

表1为喷气燃料密度计算多层感知器模型结构；表2喷气燃料密度计算结果误差。

如图4所示，所述的超声波从换能器Ⅰ到换能器Ⅱ以及从换能器Ⅱ到换能器Ⅰ的传 播时间采用如下测量电路；所述的测量电路包括微处理器，与微处理器连接的时间数字 转换器，分别与时间数字转换器连接的超声波发射电路，超声波接收电路和温度测量电 路和超声波发射与接收电路。

所述的微处理器采用ARM920T单片机系统。所述的时间数字转换器采用TDC-GP21芯 片，时间测量精度最高可达到22Ps，并可实现温度精确测量。所述的超声波发射电路采 用压电陶瓷超声波发射电路，所述的超声波接收电路采用压电陶瓷超声波接收电路，所 述的温度测量电路采用PT100温度测量电路。

本方法所测量的轻质油品包括汽油、柴油和喷气燃料。本发明利用超声波进行体积 流量测量的同时，依据超声波波速与轻质燃油密度关系实时测量流体密度，从而达到质 量流量测量的目的。