超聲波流量測(cè)量影響因素的研究

趙文明 邵仙鶴 王 玲 佟少?gòu)?qiáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院1，山東 威海 264209;威海嘉茂電子科技有限公司2，山東 威海 264209)

0 引言

流量計(jì)量作為計(jì)量科學(xué)的組成部分，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究有著密切的關(guān)系。高精度的流量計(jì)量對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展均具有重要的作用。傳統(tǒng)的機(jī)械式流量測(cè)量?jī)x表具有適應(yīng)性較差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝維護(hù)不方便、需接觸式測(cè)量等缺陷。相比之下超聲波流量計(jì)則具有計(jì)量精度高、對(duì)管徑的適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度好、使用方便、易于數(shù)字化管理等優(yōu)勢(shì)［1］。正是由于超聲波流量計(jì)具有的諸多優(yōu)勢(shì)，使得其成為了當(dāng)今流量計(jì)量的主流。本文就影響超聲波測(cè)量精度的主要因素進(jìn)行了分析。

1 時(shí)差法超聲波流量測(cè)量原理

基于超聲波測(cè)量流量原理的方法主要有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、流速-液面法等多種方法，這些方法各有特點(diǎn)，但在工業(yè)應(yīng)用中以傳播速度法最為普遍［2－5］。其中，時(shí)差法測(cè)流量就是傳播速度法中的一種，利用超聲波在流體中順向和逆向傳播速度不同這一特點(diǎn)，通過計(jì)算超聲波順逆向傳播時(shí)間差求出流體的速度，再根據(jù)管路的截面積和累計(jì)時(shí)間，最終求出通過管路流體的流量。

超聲波流量計(jì)的核心器件為換能器，用來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和超聲波信號(hào)的轉(zhuǎn)換?？紤]到超聲波在流體中傳輸?shù)臅r(shí)間差大小對(duì)測(cè)量精度的影響，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，換能器的安裝方式受管路粗細(xì)影響，一般分為同側(cè)和異側(cè)兩種安裝方式。

1.1 同側(cè)安裝

對(duì)于較細(xì)管徑的管路來說，一般選用同側(cè)U型安裝，換能器安裝到管路的同一側(cè)，在管路內(nèi)部安裝兩個(gè)反射片，用于轉(zhuǎn)換超聲聲路。同時(shí)內(nèi)部進(jìn)行縮徑，這樣可以放大流體流速，獲取更大的時(shí)間差，提高測(cè)量精度。

通過計(jì)算，可得到流體流速的近似計(jì)算公式為:

式中:v為流體流度，m/s;c為超聲波在靜態(tài)流體中的傳播速度，m/s;Δt為超聲波在流體中順逆向傳播時(shí)間差，s;L為超聲波沿管路方向的傳輸距離，m。

1.2 異側(cè)安裝

由于同側(cè)安裝內(nèi)部的反射面和縮流管會(huì)阻礙流體流動(dòng)，所以對(duì)于管徑較粗的管路，如果聲程滿足測(cè)量要求，則采用異側(cè)安裝，即換能器安裝在管路兩側(cè)，并采用對(duì)射方式進(jìn)行測(cè)量。同樣可以得到流體流速的近似計(jì)算公式為:

式中:D為管路管徑，m;θ為換能器安裝傾角。

在換能器安裝確定以后，式(1)中的超聲波沿流體流動(dòng)距離L和式(2)中的管徑D以及換能器安裝傾角θ，可以認(rèn)為是固定不變的，流體流速就是正逆向的傳播時(shí)間差Δt和超聲波傳播速度c的函數(shù)。傳播時(shí)間差Δt為測(cè)量值，取決于我們測(cè)量硬件的精確度;所以超聲波傳播速度c的精確度將直接影響流速v的精確度。

2 超聲波傳輸速度在流體中的影響

超聲波在流體中的傳播速度受流體介質(zhì)和溫度兩個(gè)因素影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，介質(zhì)一般固定。本文以純凈水為例，就溫度對(duì)超聲波傳輸速度的影響進(jìn)行分析［2］。

一般而言，常溫下超聲波在水中的傳播速度約為1500 m/s［3］。然而超聲波在水中的傳輸速度并不是一成不變的，它隨溫度變化而變化。在純凈水中，超聲波傳輸速度隨溫度呈現(xiàn)非線性變化，其變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 超聲波速度變化曲線Fig.1 Varying curve of ultrasonic velocity

由圖1可以看出，速度的最大值和最小值之間的差值達(dá)到150 m/s，0℃時(shí)的超聲波傳輸速度最低，為1407.71 m/s;74 ℃ 時(shí)達(dá)到最大值 1555.47 m/s，溫度再升高后速度反而呈下降趨勢(shì);100℃時(shí)超聲波傳輸速度為1543.41 m/s［6］。當(dāng)不考慮對(duì)超聲波傳輸速度進(jìn)行溫度修正時(shí)，分別以0℃和74℃作為基準(zhǔn)，傳播速度偏差將達(dá)到22%;如果以常溫下傳輸速度1450 m/s作為標(biāo)準(zhǔn)，將產(chǎn)生高達(dá)15%的偏差。對(duì)于精準(zhǔn)的流量測(cè)量，這個(gè)偏差是不能接受的，所以在采用超聲波進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)，必須要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，從而消除超聲波傳播速度對(duì)流體流速測(cè)量的影響。

3 流體流動(dòng)狀態(tài)的影響

按照式(1)和式(2)計(jì)算得到的流速v是流體在管路中的線流速，在計(jì)算流體流量的過程中，我們需要將獲取到的線流速轉(zhuǎn)換為流體在管路中的面流速。由于管路內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)的不同，面流速并非簡(jiǎn)單的線流速與管路截面積的乘積。我們往往通過將線流速乘以轉(zhuǎn)換系數(shù) k(k為線流速和面流速修正系數(shù))［6－9］，得到流體的面流速。在不能很好地完成線流速和面流速轉(zhuǎn)換的情況下，流量計(jì)量也將產(chǎn)生很大的誤差［4］。下面就流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，找出影響流體流動(dòng)狀態(tài)的因素。

3.1 流體流動(dòng)狀態(tài)分析

體現(xiàn)流體流動(dòng)特性的參數(shù)為雷諾數(shù)，雷諾數(shù)代表慣性力和黏性力之比，雷諾數(shù)不同，這兩種力的比值也不同，由此產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)完全不同的層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)兩種流動(dòng)狀態(tài)［7］。

雷諾數(shù)通過大量試驗(yàn)測(cè)定得到，當(dāng)雷諾數(shù)Re≤2320時(shí)，管中液體流動(dòng)狀態(tài)為層流;當(dāng)雷諾數(shù)Re＞13800時(shí)，流體狀態(tài)為湍流;當(dāng)雷諾數(shù)2320＜Re≤13800時(shí)，流動(dòng)為不穩(wěn)定的過渡狀態(tài)［8］。而在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流速的分布存在差異，從而在對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正的過程中也存在差異。

3.1.1 層流狀態(tài)

在層流狀態(tài)下，不同點(diǎn)的流速計(jì)算公式為:

式中:ur為半徑r處的線流速，m/s;umax為中心點(diǎn)流速，m/s;R為管徑，m;r為計(jì)算點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離，m。

3.1.2 紊流狀態(tài)

在紊流狀態(tài)下，不同點(diǎn)流速的計(jì)算公式為:

式中:ur為半徑r處的線流速，m/s;umax為中心點(diǎn)流速，m/s;R為管徑，m;r為計(jì)算點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離，m;指數(shù)n與雷諾數(shù)Re有關(guān)，根據(jù)Re的不同，可能取1/6、1/7、1/10 等。

通過以上相關(guān)流體流動(dòng)特性的介紹，我們得知，流體流動(dòng)特性可以通過流體在管路中流動(dòng)時(shí)雷諾數(shù)的大小來判斷。

在仿真過程中，通過分析流體在不同情況下的雷諾數(shù)的大小，分析相關(guān)因素對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)的影響，從而根據(jù)相應(yīng)的流動(dòng)狀態(tài)，完成對(duì)流體流速計(jì)算的補(bǔ)償，提高測(cè)量的精確度。

3.2 流體流動(dòng)特性的仿真

由于管道流體流速的分布規(guī)律極其復(fù)雜，人們對(duì)流體流速分布規(guī)律的研究?jī)H限于理想管道流體流動(dòng)，因此，不能很好地了解管路內(nèi)流體的流體規(guī)律。FluidFlow是一款用于計(jì)算與分析管路系統(tǒng)中流體的流量、壓力、溫度、壓降以及相變狀態(tài)等功能的軟件，它也能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同性質(zhì)流體的管網(wǎng)仿真［10］。

為此，本文選擇使用FluidFlow軟件進(jìn)行仿真，來分析相關(guān)因素對(duì)流體流動(dòng)特性的影響。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證以上仿真結(jié)論，分別就溫度對(duì)超聲波傳輸速度、流速對(duì)流動(dòng)狀態(tài)以及溫度對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的影響在流量計(jì)檢定裝置上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)選用DN20流量計(jì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Experimental data curves

由圖3可以看出，在對(duì)相關(guān)影響因素的改變產(chǎn)生的影響進(jìn)行系數(shù)修正后，可以有效消除計(jì)量誤差，從而保證流量計(jì)量的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分別就影響超聲波流量測(cè)量的因素進(jìn)行了分析和仿真，試驗(yàn)結(jié)果表明溫度對(duì)超聲波在流體中的傳輸速度有較大影響。當(dāng)計(jì)算過程中不對(duì)超聲波傳輸速度隨溫度進(jìn)行修正時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生約5%的偏差;針對(duì)DN20的流量計(jì)，溫度和流體流速對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)的影響將分別產(chǎn)生10%的偏差。理論分析與試驗(yàn)證明，通過充分考慮相關(guān)因素對(duì)計(jì)量的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的系數(shù)修正后，可以有效地保證流量計(jì)量的準(zhǔn)確度［11］。

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