超聲波氣體流量計的管道模型仿真和誤差分析

謝宗寶 陳英 李芹宴 趙小彬

摘要：超聲波氣體流量計的使用越來越規范化，因此為了滿足超聲波氣體流量計的精度需求，需要改進傳感器的設計精度，針對影響超聲波氣體流量計測量精度的原因進行分析，結合數值仿真技術以及實驗技術，對管道內流場設計參數進行分析。通過試驗結果可以證明，分析超聲波流量計誤差所產生的原因、范圍，并通過合理的流場修正參數，可以有效降低測量誤差，由此提高超聲波氣體流量計的精度，為實際工程應用提供指導性建議。

關鍵詞：超聲波氣體流量計;管道模型;誤差分析

隨著現代化工業的飛速發展，流量測量的應用領域逐漸擴大，已經成為工業生產中最為重要的部分，目前流量測量的方法有很多種，其中超聲波氣體流量計的應用已經得到了廣泛認可。目前國內外對超聲波氣體流量計的使用已經取得了較大的進展。利用超聲波在流體中的傳播速度來計算流體的流量，隨著互聯網技術的發展，使超聲波氣體流量計的數據處理更加方便、準確，甚至具備自檢功能，能夠自動分析管道中流場分布變化而導致的誤差。

1超聲波氣體流量計的特點

1.1安裝維修方便

超聲波氣體流量計與其他流量計相比，在進行安裝過程中不需要在管道上打孔或者將流體進行切割，就能夠直接安裝。因此超聲波氣體流量計在安裝較為方便，對于大口徑的計量系統而言，超聲波氣體流量計的安裝優點就更加突出，能夠有效節省大量的人力物力。

1.2測量管徑大

超聲波氣體流量計內部并沒有任何的阻礙物，甚至不會出現可移動的零部件。不會影響流體的流動速度，由此超聲波氣體流量計適用于難測介質以及大管徑測量。超聲波氣體流量計的測量管徑要遠遠大于傳統的流量計，而超聲波氣體流量計的價格不會因為不良管徑的大小而出現變動。

1.3測量可靠度高

不管采用哪種方式超聲波氣體流量計都不會對管道內的流場造成影響，并且不需要移動各種部件，因此不會存在壓力損失。另外，超聲波氣體流量計的傳感器是以計算機為中心，在進行數據計算過程中增加了信號的穩定性，排除其他外界因素的影響，因此所測量的精度具有較高的可靠性。

1.4外界影響小

超聲波氣體流量計在測量過程中與其他流量計有所不同，超聲波氣體流量計不會受到流體物理特性的影響，其輸出量和輸入量之間處于線性關系，因此，超聲波氣體流量計的測量范圍較廣。

1.5自動控制系統

利用計算機能夠對超聲波氣體流量計進行自動控制，并將測量結果進行顯示。另外，還具備標準的通用接口輸出標準的直流信號，可以實現與計算機監控系統之間的有效結合，進而實現超聲波氣體流量計的實時監控。

2管道的建模和數值模擬

2.1仿真模型建立

在管道系統中彎管是最基本的結構件，彎管主要安裝在測量管道的上游，在模型建立過程中，閥門、整流器等其他阻流元件都能夠與彎管進行組合。通過分析彎管對管路流場的影響建立起3D模型。

模型主要有入口緩沖管道、上游彎管、檢測直管道、出口緩沖管道等部分組成，根據工業生產中的實行標準，彎管的半徑是管道直徑的1.5倍。為了確保氣體能夠充分流過上游彎道達到下游的測量值管道，因此需要設置合理的緩沖管道長度，管道利用法蘭進行連接，并且在不同的位置設置檢測截面。

2.2管道下游流場二次流與流動狀態分析

當氣體流過彎曲管道后會呈現二次流狀態，最為常見的二次流狀態為泰勒流、迪恩渦等類型，其中最主要的影響因素為雷諾數和迪安數。當氣體流過彎道后，管道二次流強度會受到雷諾數和管道尺寸的控制，因此在幾何尺寸固定的狀態下，氣體的流速越快形成的渦流強度就會越大。利用仿真模型可以發現，下游直管道二次流速會呈現出渦旋的分布狀態，當測試距離離彎管尺寸越大，則二次流強度就會減弱。由此可以說明氣體的流動狀態會受到彎曲管道的影響。

2.3仿真設定

為了能夠減少次要因素的影響，專注彎管影響的流場分析。將仿真模型工作集中于以下5個方面：

（1）由于超聲波氣體流量計的安裝環境較為特殊，因此需要設定氣體流動狀態，通過設置入口管道初始氣體流速，研究雷諾數的變化對測量精度的影響。

（2）調整管道彎曲角度，證實管道角度變化與測量精度之間的關系。

（3）調整測試點到彎道的距離、管道直徑尺寸，得出幾何因素對流量精度的影響。

（4）針對管道的使用年限，確定管道內的污垢是否對氣體的流動產生影響，以及不同尺寸的管道壁粗糙程度對仿真數據的影響。

（5）對各種因素的影響程度進行詳細分析，得出相對應的誤差容限表。

3數值模擬結果分析

在日常管的連接過程中，各種角度的彎管都會得到廣泛使用，因此利用軟件模擬設計，彎管角度從15°到90°之間的管道模型。

氣體流場固定截面流速相對誤差會隨著彎管角度變化而形成相應的曲線關系，測量不同角度彎管下的流體誤差，實驗結果表明，隨著彎管角度的不斷增大，相對誤差會形成遞增變化，其變化的軌跡近似于拋物線。由此可以說明，彎管角度的變化是影響流體損失的一個重要因素，彎管角度越大所形成的流體損失就會越大，會直接影響到下游流程的流量計算結果。

當氣體流過彎管時，對下游直管道進行測量，氣體流速誤差相對于雷諾數的變化趨勢，由此可以說明，氣體流速誤差會隨著湍流程度的大小而出現明顯增加。在湍流不完全發展的階段中，相對誤差會隨著湍流程度的增加而呈現出遞增變化，在曲線圖中的增幅較為明顯。

4結束語

利用仿真技術研究了超聲波氣體流量計在管道流量測量中精度與流場參數變化之間的關系。分析超聲波氣體流量及出現誤差主要受到管道角度、雷諾數、流量計安裝位置等因素影響。利用定量分析的方法可以為誤差因素提供更加準確的分析結果。通過分析超聲波氣體流量計在運行過程中的實際變化情況，對超聲波氣體流量計進行優化設計，降低在測量過程中的誤差，進而提高工業生產的經濟效益。

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