彎頭對便攜式超聲波流量計測量精度的影響

金 煒，楊思雨，臧 杰，陳強強

（石家莊華電供熱集團有限公司，石家莊 050000）

我國是世界最大的碳排放國，占世界能源碳排放總量比重的28.8%， 對全球碳達峰與碳中和具有至關重要的作用，精準計量是實現碳達峰與碳中和目標的有力推手之一。 但受安裝空間、成本以及工藝流程等條件限制，現場流量測量儀表上游多彎頭或組合式彎頭等阻流件，前后直管段長度無法滿足安裝要求，測量精度得不到保障。 目前，在便攜式超聲波流量計安裝條件滿足要求的情況下，利用便攜式超聲波流量計對非標準安裝的流量測量儀表進行在線校準成為首選方案[1-4]，并且已有大量報道。在現場校準過程中，便攜式超聲波流量計也會遇見安裝條件不能滿足要求情況，在這種情況下如何對現場儀表測量精度進行修正成為亟待解決的問題之一。

針對上述問題，本文將利用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）技術數值模擬與實流實驗相結合的方法研究多種組合式彎頭對便攜式超聲波流量計測量精度的影響程度，該研究成果對提高便攜式超聲波流量計在非標準安裝條件下的在線校準能力具有重要意義。

1 便攜式超聲波流量計的工作原理

便攜式超聲波流量計的測量原理如圖1 所示，超聲波在流體中傳播時就會承載流體的流速信息，因此，通過接收到穿過流體的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。 檢測方法中應用最為普遍的是速度差法，其基本原理是利用測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來反應流體的流速。

圖1 超聲波流量計測量原理Fig.1 Measurement principle of ultrasonic flowmeter

對于V 形聲程，流速和流量計算公式別為[5]

式中：θ2為超聲波在流體中的折射角；t2為超聲波逆流傳播時間；t1為超聲波順流傳播時間。

2 實驗方案

由超聲波流量計工作原理可知，聲波傳播路徑上的漩渦、速度分布等流動參數是影響超聲波流量計測量精度的關鍵因素[6-7]。 彎頭組合方式直接影響下游流動狀態，從而影響便攜式超聲波流量計測量性能。 本研究以DN100 管徑為研究對象，依據現場調研結果，實驗方案如表1 所示，組合彎頭形式如圖2 所示。 此基礎上，利用實驗裝置搭建實驗管道對數值模擬結果進行驗證，如圖3 所示，并研究不同形式彎頭對便攜式超聲波流量計測量精度的影響。 本研究依次將換能器安裝于圖4 所示的安裝角度，通過實驗驗證安裝角度對測量性能的影響規律。換能器采用V 法形式安裝。

表1 實驗方案設計Tab.1 Experimental scheme design

圖2 彎頭組合形式Fig.2 Elbow combination

圖3 實驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental device

圖4 換能器安裝角度示意Fig.4 Installation angle of transducer

3 實驗結果

3.1 評價指標

本研究采用相對誤差和測量重復性兩個指標對實驗結果進行評價，表達式如式（3）和式（4）所示：

式中：Eij為第i 流量點第j 次測量的相對誤差；qij為被檢表第i 流量點第j 次測量時流量值；（qs）ij為標準表第i 流量點第j 次測量的流量值。

式中：Eri為第i 流量點的相等誤差重復性；Ei為第i個流量點的平均相對誤差；Er為被測儀表在整個量程范圍內的重復性。

3.2 實驗結果分析

由于流體的轉彎，流體經過彎頭時出現了從曲率中心向管道外壁的離心力，這使得流體從管道的直管段過渡到彎曲管段時，外側壁面壓力增大而內側壁面壓力降低。 因此，靠近外壁面處速度減小，內壁面處速度相應的增大，在外壁面附近出現擴散效應，在內壁面附近出現收縮效應。 流體從彎管過渡到直管段時，產生相反的想象。 擴散效應使得流體脫離壁面，同時在彎曲管段內流體由于慣性而流向外壁面的運動更加劇了從內壁面分離，并產生分離渦[6-8]。 速度分布形式、旋渦結構與尺度均與彎頭形式相關，因此不同的彎頭形式對便攜式超聲波流量計的測量性能影響不同。 速度分布是影響測量誤差的關鍵因素，旋渦結構、尺度以及強度是影響測量重復性的關鍵因素。

為了便于分析不同形式彎頭對便攜式超聲流量計測量誤差的影響規律，本研究利用式（7）對測量誤差進行表述：

換能器安裝角度為c（見圖4），不同彎頭形式下，便攜式超聲波流量計測量誤差E 隨測量位置的變化曲線，如圖5 所示。 可以看出，采用V 聲道測量的便攜式超聲波流量計測量結果均為負偏，且隨著測量位置的增加，流場逐漸恢復，測量誤差逐漸減??；當雙彎頭間距L＜15D、測量位置在0～5D 范圍內時，在不同彎頭下游，便攜式超聲流量計在相同測量位置處測量誤差的差異性較大，其中單彎頭下游的測量誤差最大。 造成這一結果的主要原因是單彎頭對流經介質的速度分布影響最為嚴重， 而在雙彎頭中， 下游彎頭對速度分布具有一定的調整作用，調整效果兩個彎頭的角度相關；測量位置在5～10D 范圍內時，彎頭下游流場明顯恢復，在不同彎頭下游，便攜式超聲流量計相同測量位置處測量誤差的差異性明顯減??；當雙彎頭間距L≥15D 時，測量位置在0～10D 范圍內，不同形式的雙彎頭對下游相同位置處測量誤差的影響效果與單彎頭一致， 即間距L≥15D 的雙彎頭等效與單彎頭。

圖5 測量誤差E 隨測量位置的變化曲線Fig.5 Variation curve of measurement error E with measurement position

不同彎頭形式下，便攜式超聲波流量計測量誤差重復性Er隨測量位置的變化曲線，如圖6 所示，可以看出，測量位置在5～10D 范圍內，測量誤差重復性Er≤0.33%，符合1 級表測量精度要求，且不受彎頭形式影響。 不同彎頭形式下，安裝角度引入測量誤差偏移量ε 分布規律，如圖7 所示。 誤差偏移量ε 表示相同測量位置處，不同換能器安裝角度與基準安裝角度c 之間的誤差偏移量，定義如式（8）所示：

圖6 測量誤差重復性Er 隨測量位置的變化曲線Fig.6 Variation curve of measurement error repeatability Er with measurement position

圖7 安裝角度引入測量誤差偏移量ε 分布規律Fig.7 Installation angle introduces measurement error offset ε distribution law

式中：j 表示換能器安裝角度a，a′，b，b′。

從圖7 中可以看出，測量位置在5～10D 范圍內，安裝角度在b-b′范圍內，誤差偏移量ε 分布范圍在±1%以內，不受彎頭形式影響。

4 結語

通過實驗研究管徑為DN100 的U 型雙彎頭、S型雙彎頭、異面雙彎頭、單彎頭對便攜式超聲波流量計測量性能的影響，得出如下結論：采用V 聲道測量的便攜式超聲波流量計測量結果均為負偏，誤差隨測量位置的增加而減??； 測量位置在0～5D 范圍內，彎頭形式對便攜式超聲流量計在相同測量位置處測量誤差影響顯著，單彎頭下游的測量誤差最大；間距L≥15D 的雙彎頭等效與單彎頭；測量位置在5D～10D 范圍內， 測量誤差重復性均滿足1 級表要求；換能器安裝角度在±10°范圍內變化時，誤差偏移量均在±1%以內。