管道流體流量的超聲波測量方法

邵俊杰

摘要：針對流體流量的測量方法非常多，但因流體流量黏度較高的特殊性，使得其測定結果并不能夠滿足實際的工業高精度需求。本研究結合流體流量的特性，提出了超聲波測量方法，并以T型管、變徑管作為阻流件，通過幾何模型、FLUENT仿真實驗，分析了非理想狀態下超聲波測量流體流量的準確度。結果證實，超聲波在阻流件下游10D、20D位置以及不同黏度情況下，均具有較高的測量準確度。

關鍵詞：管道;流體流量;超聲波流量計;位置;黏度

管道內流體流量是一種能夠充分體現設備運行情況的重要指標，為此，在工業生產與實際工程運行期間，都非常重視管道內流體流量的測定。目前，在對管道內流體流量實施測量時，其方法非常多，包括了渦街測量法、超聲測量法以及熱式測量法等[1]。但針對一部分對結構完備性有著較高要求或者部分特殊安全的管道來說，無需外部增加裝置，僅是通過外部的測量就能夠達到流體流量識別，是最佳檢測手段[2]。

伴隨著科學技術的發展，以及對導熱反問題的持續深入研究，借助外表面來判定內部參數的檢測方法也逐漸成熟起來，且已有不少研究成果證實了超聲波測量的有效性，確定了其無壓降、精度高、重復性佳以及可實現雙向測量等諸多特點，并且逐步取代了傳統的流體流量測量方法[3]。但以往在對管道內流體流量超聲波測量期間，主要是基于理論層面出發，這意味著流體流量的測定是以理想流體為大前提，并未充分考慮流體自身特性，使得超聲波測量在實際運用中，有著較高的誤差，限制了其推廣價值[4]。為此，本研究擬結合管道內流體的實際特性，從實際層面出發評價超聲波測量方法的具體使用方法和應用價值。

1超聲波流體流量測量原理

超聲波檢測方法實際上是一種充分運用流體內部聲學反射物質，來實現對瞬時流體流速分布有效測量的檢測手段。超聲波檢測方法實際上就是借助能夠發射脈沖超聲的一個換能器來實現，聲波沿著入射的方向經由管壁進入到流體的內部。

根據圖1來看，超聲波在進行管道的流體流量測試期間，通過超聲波多普勒方法能夠迅速獲得管道內流體的瞬時速度變化情況，是一種非常有效的流體流速線測量方法。根據上圖來看，超聲換能器發射中心頻率以表示，脈沖聲波以表示，沿著這個方向直接貫穿到上管道壁，并直接深入到流體的內部，在遭遇到了流體內部不同位置的反射粒子后會表現出相應的反射現象，隨后即可被換能器迅速接收，同時在受到多普勒超聲原理的影響，所發揮的聲波頻率會表現出相應的改變，其變化量即可以頻移表示。另有一部分能夠持續發射，深入到下管道的內壁中，隨后再沿著入射的方向反射回到換能器中，而不同的位置所獲得的反射粒子的回波方程，可通過以下公式來表示：

上述公式中：c主要用于在流體中超聲波的傳播速度進行表示;d則主要用于對反射粒子和換能器之間的距離進行表示;t則用于對接收時間進行表示。結合其檢測原理對超聲波的速度進行表示計算，具體以V值表示，相關公式為：

根據上述公式來看，主要用于對發射頻率進行表示;V則主要用于對相對運動速度進行表示;則主要用于對超聲波的頻移進行表示;則主要對入射角度進行表示。

結合上述公式（2）來看，選取最佳的角度不僅能夠幫助聲波能量在管壁部位的反射量得到減弱，同時也能夠促使聲波穿透管內流體能量得到有效增強，并且入射角度的大小也會對流速的測量范圍帶來直接的影響。為此，在實際運用的過程中，必須從非理想條件的層面出發來進行數值仿真處理。

2管道模型與實驗方法

2.1幾何模型構建

根據圖2來看，本次研究主要以下面兩種管道模型為研究對象，探討上游阻流件會帶來的擾流和渦流，對超聲波流體流量檢測結果帶來的影響。管道的直徑為D=50mm，變徑的管道最小部位直徑為d=40mm，而其上游部位緩沖管道的長度為10D，而出口部位的管道長度為20D。結合所配備的相關安裝手冊的各項要求來看，其下游緩沖管道的長度必須達到10D以上，為此，為了了解最佳的流速流量測試位置，故選取不同緩沖管道來進行精確度的測量。

2.2FLUENT仿真設置

借助ICEM-CFD軟件來完成模型網格劃分處理，通過管道直徑突出部位和T型管道交匯部位進行網格加密處理，在選取管道壁面和流體進口部位對邊界層網格進行設置，完成網格處理之后，其總體的數量大約為53萬。以戊烷填充管道內部，同時對其黏度進行合理調整;當雷諾數在低于2000時，則以Lamina層流模型來實現，在流體達到了湍流狀態之后，則采用湍流模型來完成分析處理。

在完成網格的劃分處理之后，隨后可通過網格無關性驗證處理，以此實現對仿真實驗準確性的全面提升。對管道入口部位的流速進行相應的調整，并將網格的總數分別設定為30萬、53萬和75萬模型下的仿真結果的差異。此時，可觀察到當達到了53萬、75萬網格數量時，網格的計算敏感度隨之下降，這就意味著將網格總數設定為53萬時，其計算模型能夠較好的滿足實驗各項需求，考慮到本研究篇幅問題，故并未針對該問題做深入探討。

2.3實驗方法

在本次實驗操作中，基礎實驗介質選取黏度為2.3mPa.s的煤油，并在24℃的條件下進行操作，為了了解不同黏度流體的差異，故將油田采集的原油與煤油以不同的比例進行充分混合，分別調配成4.1、6.4、8.3mPa.s的流體，并通過密度計完成準備的四種介質的密度測量。

基于仿真結果的層面上，借助測試系統來完成對超聲波測量精確度的校準處理。對超聲波流量計進行參數設定，聲道數為4，相對聲路高度（±0.809016），權重系數為（0.138197），在進行實驗操作的過程中，當流體流速每增加0.2m/s設定為1檔，從0-2m/s依次進行遞增處理。每次測量需要采集100組的數據，并以不同算法權重系數來完成對流量的計算，同時與標準表實施比較。

取變徑管阻流件、T型管阻流件10D的位置進行超聲波流量計的安裝，隨后運用遺忘因子最小二乘法進行優化處理，相關權重系數見表1。

3結果與討論

3.1流型分析

根據圖3來看，變徑管道的下游與T型管道下游10D位置其管道中流體的分布情況。在其入口部位其流速固定位1m/s，而流體的黏度從6.4mPa.s向2.3mPa.s變化，對應雷諾數在6718-18695的范圍內。結合模擬的相關數據結果來看，在上游管道阻流件的存在會導致管道中的流體流型呈現出非常明顯的非均勻狀態;除此之外，伴隨著流體黏度的隨之改變，其速度的梯度也會發生變化。

針對變徑管，其管道尺寸在出現突變之后會導致截面處流體呈現出非常典型的不規則分布狀態，同時使得流場內部出現部分區域的流速顯著低于入口速度的情況，伴隨著流體的整體黏度顯著下降，管道內部的流動慣性問題更為突出，但因變徑管本身的結構特點，這就會造成流體流動方向被強行改變，從而使得流體的湍流程度隨之增強，促使管道截面部位的流速最大值隨之升高。

針對T型管道模型，在兩股進口流體相互交匯的部位，流體的湍動程度會有顯著升高，這就會導致渦流的整體流速在最高區域出現明顯的下移特點，伴隨著流體黏度的持續下降，其雷諾數也表現出非常顯著的升高特點，管道內擾動現象也會有明顯的提升，速度梯度也呈現出相應增加。

3.2安裝部位對流體流量測試結果精度的影響

在管道運輸的過程中，超聲波流量計在進行安裝期間，其具體位置必須與上游阻流件之間保持一定的距離，以確保流體能夠得到更好的發展，常規情況下，需要保持30D以上的距離，才能夠有效防止流體湍動導致誤差問題[9]。但就實際情況來看，考慮到實驗條件，選取距離上游管道10D以外的位置作為流量計的安裝部位，此時所出現的測量誤差已經可直接忽略，同時在借助遺忘因子的優化處理之后，這個誤差得到了進一步的控制。針對不同安裝部位和權重計算方法來進行相對誤差的定量描述，具體的計算公式如下：

根據上述公式來看，Vm主要用于對流體在經過管道橫截面的實際速度進行表示;v1則主要用于對遺忘因子優化處理后的平均速度進行表示。根據圖4結果來看，分別運用傳統積分計算方法與遺忘因子最小二乘法對T型管道位置的誤差進行測量，可以觀察到，伴隨著流體流速的持續提升，流量計量誤差整體表現出非常規典型的下降趨勢，若將超聲波流量計安裝在10D的部位時，兩種計算方法的誤差范圍分別為±0.8%、±0.3%;若將超聲波流量計安裝在20D的部位時，兩種計算方法的誤差范圍分別為0.51%、0.18%。

根據圖5結果來看，分別運用傳統積分計算方法與遺忘因子最小二乘法對變徑管道位置的誤差進行測量，可以觀察到，傳統的積分計算方法在變徑管道誤差范圍測量中，其結果均高于T型管道，分別為±1.0%、±0.8%。而采用遺忘因子最小二乘法進行誤差計算，結果顯示其相對誤差范圍均控制在±0.3%范圍內，這就表明超聲波流量計盡管無法安裝在管道內，但仍然能夠獲得較為準確的結果。

3.3黏度對流體流量測試結果精度的影響

在組流件下游15D的部位，相對誤差絕對值與管道中的黏度、瘤體流量對應關系，見圖5。

根據圖5來看，通過對流體流量的提升，能夠較好的實現對超聲波流量計測定誤差值的控制，而當入口流量達到了8m3/h后，其相對誤差值只有0.54%左右;而在流速達到了相同條件之后，測量誤差的增長值則會保持在1.0%范圍內。

根據圖6來看，當入口流量在達到了8m3/h后，其相對誤差值只有0.42%左右，這就意味著采取遺忘因子優化算法同樣適用于不同黏度油品的測定。

4討論

結合現階段超聲波流量計在流體流量測試過程中所遭遇的實際問題，從非理想狀態出發，通過仿真模型實驗，對變徑管與T型管進行了測定，從不同位置、不同黏度分析了超聲波的檢測準確度。實驗結果表明，管道結構和物質都會對流體流量帶來不同程度的影響，而超聲波流量計安置的位置也呈現出不同的測試結果，但無論在何種情況下，采用超聲波對流體流量進行測定，均能夠取得較為精確的測量結果。

參考文獻：

[1]趙靜媛，王夢，梁寬寬.基于超聲波測距傳感器的光波測量方法[J].科技風，2020，（17）：133，137.

[2]孟凡芹，陳利安，賈麗.基于超聲波流量計的輸油管線多參數測量方法研究[J].山東化工，2020，49（2）：87-89.

[3]石勇，齊松博，趙建輝，等.超聲波測量油膜厚度方法誤差分析[J].哈爾濱工程大學學報，2019，40（3）：586-592.

[4]李華.管道流體流量的超聲波測量方法研究[J].安徽科技，2020，（5）：47-49.