超聲波流量計測量原理 整流器設計驗證方案
針對時差法超聲波流量計的測量準確度受管道條件影響較大的問題, 采用在流量計前端加裝整流器的方法, 以減少因彎管等阻流件導致管道內出現的二次流、渦流等現象, 從而滿足計量準確度的要求。整流器由風扇式葉片、直管混合區和多孔管段三部分組成, 風扇式葉片分別設計為8片、10片和12片三種形式。通過計算流體力學 (CFD) 數值仿真對管道內流速分布形態和線速度分布的一致性進行分析。仿真結果表明, 整流器葉片數為12片時整流效果***佳。采用標準流量計法流量標準裝置, 對12片葉片的整流器的整流效果進行試驗驗證。試驗結果表明:12片葉片的整流器不僅可以滿足超聲波流量計的測量準確度, 而且可以縮短上游彎管與超聲波流量計之間的直管段距離。超聲波流量計在工商業等天然氣運輸管道中的應用具有明顯的優勢。
0、引言：
超聲波流量計作為一種電子式流量計, 目前廣泛應用于工業、軍事以及醫學等領域[1]。作為速度式流量儀表, 超聲波流量計的測量精度受管道條件的影響較大。其理想安裝條件是管道內流體為充分發展狀態。但在實際應用現場中, 由于彎管、閥門等阻流件的存在, 使管道內流體速度分布發生畸變, 速度分布不對稱。因此, 只有保證超聲波流量計的上游具有足夠長的直管段, 才能滿足其測量準確度[2]。而通常現場應用中, 往往無法滿足足夠長的直管段要求。因此, 必須在滿足超聲波流量計測量準確度的前提下, 縮短直管段長度。
管道內流體流經彎管時會出現二次流現象, 在其下游一定范圍內的流動都是不對稱的。Yeh T T等[3]對非理想狀態下超聲波流量計進行數值模擬。由于強烈的二次流的影響, 應用傳統流量系數曲線無法得到準確的測量結果。王雪峰等[4]應用數值仿真技術及試驗技術, 針對彎管安裝條件及設計參數對氣體超聲波流量計誤差產生原因進行分析, 得出彎管直徑和安裝位置對流量測量誤差有一定影響。本文應用計算流體力學 (computational fluid dynamics, CFD) 的方法, 設計了一種整流器。應用試驗證明, 該整流器可以在縮短超聲波流量計上游直管段長度的同時, 滿足測量準確度要求。
1、超聲波流量計時差法測量原理：
根據信號檢測原理的不同, 超聲波流量計的測量方法主要有時差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法和相關法等[5-6]。本文所述超聲波流量計的測量方法為時差法。時差法是根據聲波在流體中順流傳播時間與逆流傳播時間, 計算得出流體的流速[7-8]。時差法測量原理如圖1所示。
圖1 時差法測量原理圖Fig.1
超聲波在管道內順流傳播時間tup和逆流傳播tdown時間為:
式中:θ為超聲波傳播方向與氣體流動方向的夾角;L為超聲波在流體中傳播的有效長度;D為管道直徑;C0為超聲波在靜止流體中的傳播速度;v0為管道內流體運動速度。
由式 (1) 和式 (2) 得出:
式中:KR為雷諾數修正系數;S為管道截面積;Qc為管道內流量。
2、整流器結構設計：
本文設計的超聲波流量計整流器由三部分組成:前端為均勻分布的風扇式葉片, 中間為直管混合區, 后端為多孔管段。由于流量計上游各阻流件的存在, 使管道內流場分布不均勻, 同時還存在二次流等擾動現象。因此, 整流器前端設計為風扇式葉片形式, 使不均勻流體流經風扇式葉片后, 對流場進行重新分布, 以消除二次流、渦流等現象。由于葉片數量過少無法充分進行流場混合, 而葉片數量過多則會增加壓損, 因此將風扇式葉片的葉片數量設計為8片、10片和12片, 并分別進行驗證。整流器結構中間為直管段, 為流體經過風扇式葉片后提供流體混合區, 使其有足夠的空間將流場分布趨于穩定。
整流器后端為多孔管段。由于傳統的整流器的開孔結構不合理, 整流效果比較差, 因此本文根據文獻[9]所述方法進行設計。在整流器橫截面上選取多個節圓。首先確定整流器導流孔的總面積和管道橫截面積的對應關系, 然后根據其對應關系確定導流孔的總面積和數量, ***后確定各節圓上導流孔的孔徑尺寸位置。根據此方法, 在整流器橫截面上先取5個節圓:在個節圓上開4個導流孔, 直徑為7.64 mm;在第二個節圓上開8個導流孔, 直徑為5.62 mm;在第三個節圓上開4個導流孔, 直徑為7.5 mm;在第四個節圓上開8個導流孔, 直徑為6.03 mm;在第五個節圓上開8個導流孔, 直徑為6.34 mm。為了使流體經過多孔管段后可以充分地進行整流, 將多孔管段長度設為20 mm。
3、數值仿真結果及分析：
3.1、數值仿真計算模型：
本文所述超聲波流量計管道內徑D=50 mm, 流量范圍為 (4~160) m3/h, 計量精度為1級, 一對超聲波換能器安裝于流量計水平中心平面上, 形成單聲道測量形式。將整流器安裝于超聲波流量計進口處, 流量計上游單彎管與流量計之間直管段距離為5D, 其中彎管半徑R=1.5D。
應用Fluent流體力學計算軟件, 對超聲波整流器在單彎管情況下的整流效果進行仿真。其中:單彎管、整流器和超聲波流量計部分采用三維非結構化網格;直管段采用結構化網格;網格總數為150萬左右。流體介質為常溫標準大氣壓下的空氣;入口邊界條件為速度入口, 出口邊界條件為自由流出;入口仿真流量分別為 (4, 16, 40, 64, 160) m3/h, 計算中應用Realizable k-ε湍流模型[9-10]。
3.2、數值仿真結果及分析：
時差法超聲波流量計通過對射線上線速度所引起的順流和逆流時間差進行流量計算。因此, 對射線上線速度的分布是否均勻會對流量計計量準確度有一定影響。然而, 流場的不均勻分布將直接影響線速度分布。應用Fluent仿真軟件, 分別對8片、10片和12片葉片的整流器在單彎管情況下進行仿真。其中, 單彎管與流量計之間距離為5D。在流量相同時, 將對射線上線速度進行無量綱化處理, 得到如圖2所示的線速度分布圖。從圖2可知, 當流量為4 m3/h和160 m3/h時, 葉片數量為12片時的對射線上線速度比8片和10片分布均勻, 且一致性更好, 同時滿足壓損要求。
圖2 線速度分布圖Fig.2 The line velocity profiles
同樣可以根據流量計中間位置的縱向截面上速度分布情況, 判斷整流器的效果。在流量為4 m3/h和160 m3/h時, 分別截取整流器葉片為8片、10片和12片時流量計中間位置的縱向截面, 其縱向截面速度等值線圖如圖3所示。
圖3 縱向截面速度等值線示意圖Fig.3 The velocity contours of intermediate section
從圖3可知, 當葉片數量為12片時, 流量計中間位置速度更均勻, 且不存在二次流現象, 即整流器效果***好。因此, 整流器中葉片數量取12片。
4、氣體流量標準裝置試驗：
4.1、試驗方案：
根據數值仿真結果, 將12片葉片的整流器安裝于流量計中進行試驗驗證。試驗裝置為氣體流量標準裝置。該裝置主要由風機、閥門、標準表、管道、變頻器和控制系統等組成, 是一臺高精度的氣體流量標準裝置。其根據密閉管道內氣體連續性原理, 將被檢表與標準表串聯, 在同一工況下完成校準、檢定。該氣體流量標準裝置采用負壓法進行測量, 工作介質為空氣, 流量范圍為 (0.5~2 000) m3/h, 流量調節精度為±0.5%, 試驗管道口徑為DN15~DN2 000, 因此可對本文所述超聲波流量計進行試驗。
4.2、試驗結果：
將流量計安裝在氣體流量標準裝置上, 分別對流量計進口處加裝10D直管段和單彎管進行測試。彎管與流量計之間直管段為5D, 試驗流量點為 (4, 16, 40, 64, 160) m3/h, 試驗環境溫度為25℃, 標準裝置控制系統通過被檢表脈沖輸出的信號進行計數, 實現累積流量計量得出示值誤差, 測試結果如表1所示。根據表1可知, 單彎管情況下的示值誤差與10D直管段示值誤差平均偏差在±0.3%范圍內, 且滿足測量準確度±1%的要求, 因此可以證明本文所設計整流器不僅可以滿足測量準確度的要求, 而且可以縮短彎管與流量計之間直管段距離。
表1 測試結果Tab.1 Test results
5、結束語：
本文應用CFD數值仿真和氣體流量標準裝置試驗方法。當上游阻流件為單彎管時, 分析所設計整流器對超聲波流量計管道內流體的整流效果。由數值仿真可知, 當整流器葉片數量為12片時, 換能器對射線上線速度分布均勻, 且管道內截面上速度分布均勻, 整流效果好。應用氣體標準裝置試驗對12片葉片的整流器進行驗證, 結果表明, 本文所設計的整流器可以減小單彎管所引起的誤差偏差值, 同時可以縮短單彎管與流量計之間直管段的距離, 滿足測量準確度要求。