超(chāo)聲波流量計在(zài)測量過程中的(de)彎管誤差分析(xī)以及修正研究(jiū)

關鍵字：   超聲波流量(liàng)計   測量過(guo)程中   彎管(guǎn)誤差

一、本(ben)文引言 　 　 　

　超(chāo)聲波流量計 因(yin)爲具有非接觸(chù)測量 、計量準确(que)度高、運行穩定(dìng)、無壓力損失等(deng)諸多優點，目前(qián)怩在工業檢測(ce)領域有着廣泛(fan)的應用，市場對(duì)于相㊙️關産品的(de)需求十分地旺(wang)盛。伴随着上個(ge)世紀 80年代(dai)電子技術和傳(chuan)感器技術的迅(xun)猛發展，對于超(chao)聲波流量計的(de)基礎研究也在(zài)不斷地🚩深♻️入，與(yǔ)此相關的各類(lei)涉及到人們生(shēng)産與生活的新(xīn)産品也日新月(yue)異，不斷出現。目(mù)前對于超聲波(bo)流量計測量精(jīng)度的研究🍉主要(yao)集💚中在 3個(gè)方面：包括信号(hào)因素、硬件因素(su)以及流場因素(sù)這🔴三點㊙️。由于🈚超(chāo)聲波流量計對(dui)流場狀态十分(fen)敏感，實⭕際安裝(zhuang)現場的流場不(bú)穩定會直接影(ying)響流量計的💜測(cè)量精度。對于超(chao)聲波流量計流(liu)場研究多采用(yòng)計算流體力學(xué)（ CFD）的方法，國(guó)内外諸多學者(zhě)對超聲波流量(liang)計在彎管流場(chang)情況📧下進行數(shu)值仿真，并進行(hang)了實驗驗證。以(yǐ)✌️往的研究主要(yao)⚽是針對規避安(an)裝效應的影響(xiang)。不過在一些中(zhōng)小口⛹🏻‍♀️徑超聲波(bo)流量計的應用(yòng)場合，因爲受到(dào)場地的限制，彎(wān)管下遊緩沖管(guan)道不📧足，流體在(zài)流經彎管後不(bu)能充分發展，檢(jiǎn)測精度受到彎(wān)管下遊徑向二(er)次✂️流分速度的(de)極大影響，安裝(zhuang)效應需要評估(gu)，并研究相應的(de)補償方法。

　 　 　 　本研究采用 CFD仿真分析 90°單彎管下遊(yóu)二次流誤差形(xíng)成原因，并得出(chu)誤差的計算公(gong)式，定🤩量地分析(xi)彎管下遊不同(tong)緩沖管道後，不(bú)同🈲雷諾數下的(de)二次流💜誤差對(dui)測量精度的影(yǐng)響，zui終得到誤差(chà)的修正規✨律。通(tong)過⭐仿真發現，彎(wān)管出口🔱處頂端(duān)和底端的壓🏒力(lì)差與彎管二次(ci)流的強度有關(guān)，提出在實際測(ce)量中可通過測(cè)得此壓力差來(lái)對二次流誤差(cha)進❌行修正的方(fang)法。該研究可用(yong)于分析其他類(lèi)型的超聲波流(liu)量㊙️計的誤差分(fèn)析，對超聲波流(liu)量計的設計與(yu)安裝具有重要(yao)意義✊。
二、測(cè)量原理與誤差(cha)形成
1.1 超聲(shēng)波流量計測量(liàng)原理
本研(yan)究針對一款雙(shuang)探頭時差法超(chāo)聲波流量計。時(shí)差法🚩是利用👅聲(shēng)脈沖波在流體(tǐ)中順向與逆向(xiang)傳播的時間差(cha)來測量流體流(liu)🌍速。雙探頭超聲(shēng)波流量計原理(li)圖♍如圖 1所(suǒ)示。
 

　 順向和(he)逆向的傳播時(shi)間爲 t1 和 t2 ，聲道線與管(guǎn)道壁面夾角爲(wèi) θ ，管道的橫(heng)截面積爲 S ，聲道線上的線(xiàn)平均流速 vl 和體積流量 Q 的表達式：

式中： L —超(chāo)聲波流量計兩(liang)個探頭之間的(de)距離； D —管道(dao)直徑； vm —管道(dao)的面平均流速(sù)，流速修正系數(shu) K 将聲道線(xian)上的速度 vl 修正爲截面上(shang)流體的平均速(su)度 vm 。
1.2 二(èr)次流誤差形成(cheng)原因
流體(tǐ)流經彎管，管内(nei)流體受到離心(xīn)力和粘性力相(xiang)互作用，在管道(dào)徑向截面上形(xíng)成一對反向對(dui)稱渦旋如圖 2所示，稱爲彎(wan)管二次流。有一(yi)無量綱數，迪恩(ēn)數 Dn 可用來(lai)表示彎管二次(cì)流的強度。當管(guǎn)道模型固定時(shi)，迪🏃🏻恩數 Dn 隻(zhi)與雷諾數 Re 有關。研究發現(xian)，流速越大，産生(shēng)的二次流強度(du)越大，随㊙️着流動(dong)的發展二次流(liú)逐漸減弱。

式中： d —管道(dào)直徑， R —彎管(guǎn)的曲率半徑。彎(wān)管下遊形成的(de)二次流在徑向(xiàng)🌈平面的流動，産(chan)生了彎管二次(ci)流的垂直誤差(chà)和水平誤差。聲(shēng)✉️道線上二🔱次流(liu)速度方向示意(yi)圖如圖 3所(suo)示。本研究在聲(shēng)道線路徑上取(qǔ)兩個觀察面 A和 B，如圖(tú) 3（ a）所示(shi)；聲道線穿過這(zhè)兩個二次流面(mian)的位置爲 a和 b，如圖 3（ b）所示。可(ke)見由于聲道線(xian)穿過截面上渦(wo)的位置不同，作(zuo)✏️用在聲道線上(shang)的二次流速度(du)方向也不同，如(rú)圖 3（ c）所(suǒ)示。其中，徑向平(píng)面二次流速度(du)在水平方向（ X 方向）上的分(fèn)速度，方向相反(fǎn)。

由于超聲(sheng)波流量計的安(ān)裝，聲道線均在(zài)軸向平面，這導(dao)緻系統無法檢(jian)測到與軸向平(ping)面垂直的二次(ci)流垂直分☔速度(dù)（ Y 方向），産生(shēng)了二次流的垂(chuí)直誤差 Ea，得(de)到 Ea 的計算(suan)公式如下：

式中： vf —聲道(dao)線在軸向平面(miàn)上的速度。
二次流水平速(sù)度（ X 方向的(de)分速度）直接影(ying)響了超聲波流(liu)量計的軸向🧑🏾‍🤝‍🧑🏼檢(jian)💞測平面⚽，對🌈檢測(ce)造成了非常大(dà)的影響。聲道線(xian)在🛀🏻空間上先後(hòu)收🌈到方向相反(fǎn)的二次流水平(píng)速度的作用，這(zhè)在很大程度上(shang)削弱了誤差。但(dan)反向速度并不(bu)*相等，且超聲波(bō)流量計是按固(gù)定角度💚進行速(sù)度折算的，超聲(shēng)波傳播速度 vs 對應地固定(dìng)爲軸向流速爲(wei) vd ，而其真實(shi)流速爲 vf ，由(yóu)此二次流徑向(xiang)兩個相反的水(shuǐ)平速度，分别導(dao)緻了 Δv1（如圖(tu) 4（ a）所示(shì)）和 Δv2（如圖 4（ b）所示）兩(liǎng)個速度變化量(liang)，其中 Δv1 導緻(zhì)測得的流速偏(pian)大， Δv2 導緻測(cè)得的流速偏小(xiao)，兩個誤差不能(neng)抵消，産生二次(cì)流✉️的✔️水平誤差(chà) Eb ：

式中(zhong)： vx —聲道線線(xian)上 X 方向的(de)分速度即二次(ci)流水平速度， vz —Z 方向的分速(su)度即主流方向(xiàng)分速度。
三(sān)、數值仿真
2.1 幾何模型
幾何模型采用(yong)的是管徑爲 50 mm的管道，彎管(guan)流場幾何模型(xíng)示意圖如圖 5所示。其由上(shang)遊緩沖管道、彎(wan)管、下遊緩沖管(guǎn)道、測量管🌈道、出(chū)🌈口管道 5 部(bu)分構成。全美氣(qi)體聯合會（ AGA）發表的 GA-96建(jiàn)議，在彎管流場(chang)的下遊保留 5倍管徑的直(zhí)管作爲緩沖，但(dàn)有研究表明這(zhe)個距離之後二(er)次流的作用仍(réng)十分明顯。
據此，筆者設置(zhì)流量計的 3個典型安裝位(wèi)置來放置測量(liang)管道，分别距上(shang)遊彎道爲 5D， 10D， 20D。本研(yan)究在彎管出口(kǒu)處頂部和底部(bu)分别設置觀測(cè)點，測量兩點壓(ya)力，得到兩點的(de)壓力差。
2.2 仿(páng)真與設定
在仿真前，筆者(zhě)先對幾何模型(xing)進行網格劃分(fèn)。網格劃分采用(yòng) Gambit軟件，劃分(fèn)時，順序是由線(xian)到面，由面到體(ti)。其中，爲了得🐉到(dao)❄️更好的收斂性(xing)和精度，面網格(ge)如圖 6所示(shi)。其采用錢币畫(huà)法得到的矩形(xíng)網格，體網格如(ru)圖 7所示。其(qí)在彎道處加深(shēn)了密度。網格數(shu)量總計爲 1.53×106。畫好網格後，導(dǎo)入 Fluent軟件進(jìn)行計算，進口條(tiao)件設爲速度進(jìn)口，出口設爲 outflow，介質爲空氣(qì)。研究結果表明(ming)，湍流模型采用(yòng) RSM時與真實(shí)測量zui接近［ 8］，故本研究選擇(zé) RSM模型。
爲了排除次要(yao)因素的幹擾，将(jiāng)仿真更加合理(lǐ)化，本研究進行(hang)如下設定： ①幾何模型固定(dìng)不變，聲波發射(shè)角度設置爲 45°； ②結合流(liú)量計的實際量(liàng)程，将雷諾數（ Re）設置爲從 3000~50000，通過改變進(jin)口速度，來研究(jiū) Re 對測量精(jīng)度的影響； ③由于 Fluent是無(wu)法将聲波的傳(chuán)播時間引入的(de)，對于聲道線上(shang)的速度，筆者采(cǎi)用提取聲道線(xiàn)每個節點上的(de)速度♈，然後進行(hang)線積分的方法(fǎ)計算。
四、仿(pang)真結果分析與(yu)讨論
3.1 誤差(cha)分析與讨論
彎管下遊緩(huǎn)沖管道各典型(xíng)位置（ 5D， 10D， 20D）二次流垂(chui)直誤差如圖 8（ a）所示，當(dang)下遊緩沖管道(dao)爲 5D時，二次(ci)流垂直誤差基(ji)本可以分爲兩(liang)個階段，起初，誤(wu)差随❓着 Re 的(de)增大而增大，在(zai) Re 值 13 000之(zhi)前，增幅明顯，當(dang) Re 值在 13 000~16 000時，增幅趨于平(píng)緩。在經過 Re 值 16 000這個後(hòu)，誤差反而随着(zhe) Re 值的增大(dà)而減小。當下遊(yóu)緩沖管道爲 10D 時，誤差總體(ti)上随着 Re 的(de)增大而增大，在(zai) Re 值 14 000之(zhi)前處于增幅明(míng)顯的上升趨勢(shì)，從 Re 值 14 000之後增幅開始(shi)減小。下遊緩沖(chòng)管道爲 20D 時(shí)，誤差随 Re 值(zhí)增大而增大，增(zeng)幅緩慢，且并不(bu)十分穩定，這是(shì)由于二次流在(zài)流經 20D時，已(yǐ)經發生衰減，二(èr)次流狀态不是(shì)很穩定。二次流(liu)水平誤差如圖(tú) 8（ b）所示(shi)，其非常顯著的(de)特點是誤差出(chu)現了正、負不同(tóng)的情況， 10D 處(chu)由于 Δv1 比 Δv2 要小，測得的(de)流速偏小，誤差(chà)值變爲負，而在(zai) 5D 和 20D 處(chù)， Δv1和 Δv2 的(de)大小關系正好(hǎo)相反，流速偏大(da)，誤差值爲正，這(zhè)表明📞二次流的(de)🍓水平誤差跟安(an)裝位置有很大(da)關系，甚至出現(xian)了誤差正、負不(bú)同的情況。
對比不同下遊(you)緩沖管道，總體(ti)看來，随着流動(dòng)的發展📞，二🔴次流(liú)強度減弱，誤差(cha)減小。但在 Re 值 29 000之前， 5D 處的二次流(liú)垂直誤差比 10D 處大，在 Re 值 29 000之後，由(yóu)于變化趨勢不(bu)同， 10D 處的誤(wu)差超過了 5D 處的誤差。可見(jiàn)，并不是距離上(shàng)遊彎管越近，誤(wù)差就越🔱大。對比(bǐ)兩種誤差可見(jian)，二次流的垂直(zhí)誤差總體大于(yu)二次流的🔅水平(píng)誤差。
3.2 誤差(cha)修正
實際(jì)測量場合下，流(liú)量計本身就是(shì)測量流速的，所(suo)以事先并🤞不🈚知(zhī)道彎管下遊的(de)二次流強度，這(zhe)導緻☎️研究人員(yuan)在知道誤差規(guī)律的情況下無(wú)法得知實際誤(wu)差🐅。針對該情況(kuang)，結合流體經過(guo)彎管後的特點(dian)，本研究在流體(ti)彎管出口處的(de)頂端和底🏃🏻‍♂️端各(gè)設置一壓力測(ce)試🌈點，得到其出(chū)🔆口處的壓力差(chà)以反映二🏃🏻次流(liu)的強度。雷諾數(shu)與彎管出🏃‍♂️口壓(yā)力如圖 9所(suo)示。由圖 9可(kě)見，壓力差随着(zhe)雷諾數的增大(dà)而增大，在實際(ji)安裝場合🐆，管♌道(dao)模型固定，由此(cǐ)，壓力差可用來(lai)反映二次流的(de)強度。将雷諾數(shù)用壓力差表示(shì)，得到壓力差♈跟(gēn)二次🔞流的垂👄直(zhi)誤差和水平誤(wu)差的📐關系。将兩(liang)種誤差結合，可(kě)得二次流的總(zǒng)誤差 E總：
E總 =Ea Eb -Ea ×Eb （ 9）
壓力差與(yu)總誤差關系圖(tú)如圖 10所示(shì)。zui終通過壓力差(cha)來對彎管二次(ci)流誤差進行修(xiu)正，得出壓力差(chà)與修正系數關(guan)系圖。