超聲波流量測量影響因素的研究

趙文明 邵仙鶴 王 玲 佟少強

(哈爾濱工業(yè)大學(威海)信息與電氣工程學院1，山東 威海 264209;威海嘉茂電子科技有限公司2，山東 威海 264209)

0 引言

流量計量作為計量科學的組成部分，與國民經(jīng)濟、國防建設(shè)、科學研究有著密切的關(guān)系。高精度的流量計量對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進科學技術(shù)的發(fā)展均具有重要的作用。傳統(tǒng)的機械式流量測量儀表具有適應性較差、結(jié)構(gòu)復雜、安裝維護不方便、需接觸式測量等缺陷。相比之下超聲波流量計則具有計量精度高、對管徑的適應性強、靈敏度好、使用方便、易于數(shù)字化管理等優(yōu)勢［1］。正是由于超聲波流量計具有的諸多優(yōu)勢，使得其成為了當今流量計量的主流。本文就影響超聲波測量精度的主要因素進行了分析。

1 時差法超聲波流量測量原理

基于超聲波測量流量原理的方法主要有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、流速-液面法等多種方法，這些方法各有特點，但在工業(yè)應用中以傳播速度法最為普遍［2－5］。其中，時差法測流量就是傳播速度法中的一種，利用超聲波在流體中順向和逆向傳播速度不同這一特點，通過計算超聲波順逆向傳播時間差求出流體的速度，再根據(jù)管路的截面積和累計時間，最終求出通過管路流體的流量。

超聲波流量計的核心器件為換能器，用來實現(xiàn)電信號和超聲波信號的轉(zhuǎn)換。考慮到超聲波在流體中傳輸?shù)臅r間差大小對測量精度的影響，所以在實際設(shè)計中，換能器的安裝方式受管路粗細影響，一般分為同側(cè)和異側(cè)兩種安裝方式。

1.1 同側(cè)安裝

對于較細管徑的管路來說，一般選用同側(cè)U型安裝，換能器安裝到管路的同一側(cè)，在管路內(nèi)部安裝兩個反射片，用于轉(zhuǎn)換超聲聲路。同時內(nèi)部進行縮徑，這樣可以放大流體流速，獲取更大的時間差，提高測量精度。

通過計算，可得到流體流速的近似計算公式為:

式中:v為流體流度，m/s;c為超聲波在靜態(tài)流體中的傳播速度，m/s;Δt為超聲波在流體中順逆向傳播時間差，s;L為超聲波沿管路方向的傳輸距離，m。

1.2 異側(cè)安裝

由于同側(cè)安裝內(nèi)部的反射面和縮流管會阻礙流體流動，所以對于管徑較粗的管路，如果聲程滿足測量要求，則采用異側(cè)安裝，即換能器安裝在管路兩側(cè)，并采用對射方式進行測量。同樣可以得到流體流速的近似計算公式為:

式中:D為管路管徑，m;θ為換能器安裝傾角。

在換能器安裝確定以后，式(1)中的超聲波沿流體流動距離L和式(2)中的管徑D以及換能器安裝傾角θ，可以認為是固定不變的，流體流速就是正逆向的傳播時間差Δt和超聲波傳播速度c的函數(shù)。傳播時間差Δt為測量值，取決于我們測量硬件的精確度;所以超聲波傳播速度c的精確度將直接影響流速v的精確度。

2 超聲波傳輸速度在流體中的影響

超聲波在流體中的傳播速度受流體介質(zhì)和溫度兩個因素影響，但在實際應用中，介質(zhì)一般固定。本文以純凈水為例，就溫度對超聲波傳輸速度的影響進行分析［2］。

一般而言，常溫下超聲波在水中的傳播速度約為1500 m/s［3］。然而超聲波在水中的傳輸速度并不是一成不變的，它隨溫度變化而變化。在純凈水中，超聲波傳輸速度隨溫度呈現(xiàn)非線性變化，其變化趨勢如圖1所示。

圖1 超聲波速度變化曲線Fig.1 Varying curve of ultrasonic velocity

由圖1可以看出，速度的最大值和最小值之間的差值達到150 m/s，0℃時的超聲波傳輸速度最低，為1407.71 m/s;74 ℃ 時達到最大值 1555.47 m/s，溫度再升高后速度反而呈下降趨勢;100℃時超聲波傳輸速度為1543.41 m/s［6］。當不考慮對超聲波傳輸速度進行溫度修正時，分別以0℃和74℃作為基準，傳播速度偏差將達到22%;如果以常溫下傳輸速度1450 m/s作為標準，將產(chǎn)生高達15%的偏差。對于精準的流量測量，這個偏差是不能接受的，所以在采用超聲波進行流量測量時，必須要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，從而消除超聲波傳播速度對流體流速測量的影響。

3 流體流動狀態(tài)的影響

按照式(1)和式(2)計算得到的流速v是流體在管路中的線流速，在計算流體流量的過程中，我們需要將獲取到的線流速轉(zhuǎn)換為流體在管路中的面流速。由于管路內(nèi)流體流動狀態(tài)的不同，面流速并非簡單的線流速與管路截面積的乘積。我們往往通過將線流速乘以轉(zhuǎn)換系數(shù) k(k為線流速和面流速修正系數(shù))［6－9］，得到流體的面流速。在不能很好地完成線流速和面流速轉(zhuǎn)換的情況下，流量計量也將產(chǎn)生很大的誤差［4］。下面就流體流動狀態(tài)進行分析，找出影響流體流動狀態(tài)的因素。

3.1 流體流動狀態(tài)分析

體現(xiàn)流體流動特性的參數(shù)為雷諾數(shù)，雷諾數(shù)代表慣性力和黏性力之比，雷諾數(shù)不同，這兩種力的比值也不同，由此產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運動性質(zhì)完全不同的層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)兩種流動狀態(tài)［7］。

雷諾數(shù)通過大量試驗測定得到，當雷諾數(shù)Re≤2320時，管中液體流動狀態(tài)為層流;當雷諾數(shù)Re＞13800時，流體狀態(tài)為湍流;當雷諾數(shù)2320＜Re≤13800時，流動為不穩(wěn)定的過渡狀態(tài)［8］。而在不同的流動狀態(tài)下，流速的分布存在差異，從而在對測量值進行修正的過程中也存在差異。

3.1.1 層流狀態(tài)

在層流狀態(tài)下，不同點的流速計算公式為:

式中:ur為半徑r處的線流速，m/s;umax為中心點流速，m/s;R為管徑，m;r為計算點到中心點的距離，m。

3.1.2 紊流狀態(tài)

在紊流狀態(tài)下，不同點流速的計算公式為:

式中:ur為半徑r處的線流速，m/s;umax為中心點流速，m/s;R為管徑，m;r為計算點到中心點的距離，m;指數(shù)n與雷諾數(shù)Re有關(guān)，根據(jù)Re的不同，可能取1/6、1/7、1/10 等。

通過以上相關(guān)流體流動特性的介紹，我們得知，流體流動特性可以通過流體在管路中流動時雷諾數(shù)的大小來判斷。

在仿真過程中，通過分析流體在不同情況下的雷諾數(shù)的大小，分析相關(guān)因素對流體流動狀態(tài)的影響，從而根據(jù)相應的流動狀態(tài)，完成對流體流速計算的補償，提高測量的精確度。

3.2 流體流動特性的仿真

由于管道流體流速的分布規(guī)律極其復雜，人們對流體流速分布規(guī)律的研究僅限于理想管道流體流動，因此，不能很好地了解管路內(nèi)流體的流體規(guī)律。FluidFlow是一款用于計算與分析管路系統(tǒng)中流體的流量、壓力、溫度、壓降以及相變狀態(tài)等功能的軟件，它也能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同性質(zhì)流體的管網(wǎng)仿真［10］。

為此，本文選擇使用FluidFlow軟件進行仿真，來分析相關(guān)因素對流體流動特性的影響。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

為了驗證以上仿真結(jié)論，分別就溫度對超聲波傳輸速度、流速對流動狀態(tài)以及溫度對流動狀態(tài)的影響在流量計檢定裝置上進行試驗。試驗選用DN20流量計，試驗數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖2 試驗數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Experimental data curves

由圖3可以看出，在對相關(guān)影響因素的改變產(chǎn)生的影響進行系數(shù)修正后，可以有效消除計量誤差，從而保證流量計量的準確度。

5 結(jié)束語

本文分別就影響超聲波流量測量的因素進行了分析和仿真，試驗結(jié)果表明溫度對超聲波在流體中的傳輸速度有較大影響。當計算過程中不對超聲波傳輸速度隨溫度進行修正時，試驗數(shù)據(jù)將產(chǎn)生約5%的偏差;針對DN20的流量計，溫度和流體流速對流體流動狀態(tài)的影響將分別產(chǎn)生10%的偏差。理論分析與試驗證明，通過充分考慮相關(guān)因素對計量的影響，并進行相應的系數(shù)修正后，可以有效地保證流量計量的準確度［11］。

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