超聲波氣體流量計(jì)的管道模型仿真和誤差分析

謝宗寶 陳英 李芹宴 趙小彬

摘要：超聲波氣體流量計(jì)的使用越來越規(guī)范化，因此為了滿足超聲波氣體流量計(jì)的精度需求，需要改進(jìn)傳感器的設(shè)計(jì)精度，針對(duì)影響超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量精度的原因進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)管道內(nèi)流場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析。通過試驗(yàn)結(jié)果可以證明，分析超聲波流量計(jì)誤差所產(chǎn)生的原因、范圍，并通過合理的流場(chǎng)修正參數(shù)，可以有效降低測(cè)量誤差，由此提高超聲波氣體流量計(jì)的精度，為實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)性建議。

關(guān)鍵詞：超聲波氣體流量計(jì);管道模型;誤差分析

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，流量測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中最為重要的部分，目前流量測(cè)量的方法有很多種，其中超聲波氣體流量計(jì)的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可。目前國內(nèi)外對(duì)超聲波氣體流量計(jì)的使用已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。利用超聲波在流體中的傳播速度來計(jì)算流體的流量，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使超聲波氣體流量計(jì)的數(shù)據(jù)處理更加方便、準(zhǔn)確，甚至具備自檢功能，能夠自動(dòng)分析管道中流場(chǎng)分布變化而導(dǎo)致的誤差。

1超聲波氣體流量計(jì)的特點(diǎn)

1.1安裝維修方便

超聲波氣體流量計(jì)與其他流量計(jì)相比，在進(jìn)行安裝過程中不需要在管道上打孔或者將流體進(jìn)行切割，就能夠直接安裝。因此超聲波氣體流量計(jì)在安裝較為方便，對(duì)于大口徑的計(jì)量系統(tǒng)而言，超聲波氣體流量計(jì)的安裝優(yōu)點(diǎn)就更加突出，能夠有效節(jié)省大量的人力物力。

1.2測(cè)量管徑大

超聲波氣體流量計(jì)內(nèi)部并沒有任何的阻礙物，甚至不會(huì)出現(xiàn)可移動(dòng)的零部件。不會(huì)影響流體的流動(dòng)速度，由此超聲波氣體流量計(jì)適用于難測(cè)介質(zhì)以及大管徑測(cè)量。超聲波氣體流量計(jì)的測(cè)量管徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的流量計(jì)，而超聲波氣體流量計(jì)的價(jià)格不會(huì)因?yàn)椴涣脊軓降拇笮《霈F(xiàn)變動(dòng)。

1.3測(cè)量可靠度高

不管采用哪種方式超聲波氣體流量計(jì)都不會(huì)對(duì)管道內(nèi)的流場(chǎng)造成影響，并且不需要移動(dòng)各種部件，因此不會(huì)存在壓力損失。另外，超聲波氣體流量計(jì)的傳感器是以計(jì)算機(jī)為中心，在進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算過程中增加了信號(hào)的穩(wěn)定性，排除其他外界因素的影響，因此所測(cè)量的精度具有較高的可靠性。

1.4外界影響小

超聲波氣體流量計(jì)在測(cè)量過程中與其他流量計(jì)有所不同，超聲波氣體流量計(jì)不會(huì)受到流體物理特性的影響，其輸出量和輸入量之間處于線性關(guān)系，因此，超聲波氣體流量計(jì)的測(cè)量范圍較廣。

1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)

利用計(jì)算機(jī)能夠?qū)Τ暡怏w流量計(jì)進(jìn)行自動(dòng)控制，并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示。另外，還具備標(biāo)準(zhǔn)的通用接口輸出標(biāo)準(zhǔn)的直流信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間的有效結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超聲波氣體流量計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2管道的建模和數(shù)值模擬

2.1仿真模型建立

在管道系統(tǒng)中彎管是最基本的結(jié)構(gòu)件，彎管主要安裝在測(cè)量管道的上游，在模型建立過程中，閥門、整流器等其他阻流元件都能夠與彎管進(jìn)行組合。通過分析彎管對(duì)管路流場(chǎng)的影響建立起3D模型。

模型主要有入口緩沖管道、上游彎管、檢測(cè)直管道、出口緩沖管道等部分組成，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)，彎管的半徑是管道直徑的1.5倍。為了確保氣體能夠充分流過上游彎道達(dá)到下游的測(cè)量值管道，因此需要設(shè)置合理的緩沖管道長(zhǎng)度，管道利用法蘭進(jìn)行連接，并且在不同的位置設(shè)置檢測(cè)截面。

2.2管道下游流場(chǎng)二次流與流動(dòng)狀態(tài)分析

當(dāng)氣體流過彎曲管道后會(huì)呈現(xiàn)二次流狀態(tài)，最為常見的二次流狀態(tài)為泰勒流、迪恩渦等類型，其中最主要的影響因素為雷諾數(shù)和迪安數(shù)。當(dāng)氣體流過彎道后，管道二次流強(qiáng)度會(huì)受到雷諾數(shù)和管道尺寸的控制，因此在幾何尺寸固定的狀態(tài)下，氣體的流速越快形成的渦流強(qiáng)度就會(huì)越大。利用仿真模型可以發(fā)現(xiàn)，下游直管道二次流速會(huì)呈現(xiàn)出渦旋的分布狀態(tài)，當(dāng)測(cè)試距離離彎管尺寸越大，則二次流強(qiáng)度就會(huì)減弱。由此可以說明氣體的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)受到彎曲管道的影響。

2.3仿真設(shè)定

為了能夠減少次要因素的影響，專注彎管影響的流場(chǎng)分析。將仿真模型工作集中于以下5個(gè)方面：

（1）由于超聲波氣體流量計(jì)的安裝環(huán)境較為特殊，因此需要設(shè)定氣體流動(dòng)狀態(tài)，通過設(shè)置入口管道初始?xì)怏w流速，研究雷諾數(shù)的變化對(duì)測(cè)量精度的影響。

（2）調(diào)整管道彎曲角度，證實(shí)管道角度變化與測(cè)量精度之間的關(guān)系。

（3）調(diào)整測(cè)試點(diǎn)到彎道的距離、管道直徑尺寸，得出幾何因素對(duì)流量精度的影響。

（4）針對(duì)管道的使用年限，確定管道內(nèi)的污垢是否對(duì)氣體的流動(dòng)產(chǎn)生影響，以及不同尺寸的管道壁粗糙程度對(duì)仿真數(shù)據(jù)的影響。

（5）對(duì)各種因素的影響程度進(jìn)行詳細(xì)分析，得出相對(duì)應(yīng)的誤差容限表。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

在日常管的連接過程中，各種角度的彎管都會(huì)得到廣泛使用，因此利用軟件模擬設(shè)計(jì)，彎管角度從15°到90°之間的管道模型。

氣體流場(chǎng)固定截面流速相對(duì)誤差會(huì)隨著彎管角度變化而形成相應(yīng)的曲線關(guān)系，測(cè)量不同角度彎管下的流體誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著彎管角度的不斷增大，相對(duì)誤差會(huì)形成遞增變化，其變化的軌跡近似于拋物線。由此可以說明，彎管角度的變化是影響流體損失的一個(gè)重要因素，彎管角度越大所形成的流體損失就會(huì)越大，會(huì)直接影響到下游流程的流量計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)氣體流過彎管時(shí)，對(duì)下游直管道進(jìn)行測(cè)量，氣體流速誤差相對(duì)于雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)，由此可以說明，氣體流速誤差會(huì)隨著湍流程度的大小而出現(xiàn)明顯增加。在湍流不完全發(fā)展的階段中，相對(duì)誤差會(huì)隨著湍流程度的增加而呈現(xiàn)出遞增變化，在曲線圖中的增幅較為明顯。

4結(jié)束語

利用仿真技術(shù)研究了超聲波氣體流量計(jì)在管道流量測(cè)量中精度與流場(chǎng)參數(shù)變化之間的關(guān)系。分析超聲波氣體流量及出現(xiàn)誤差主要受到管道角度、雷諾數(shù)、流量計(jì)安裝位置等因素影響。利用定量分析的方法可以為誤差因素提供更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果。通過分析超聲波氣體流量計(jì)在運(yùn)行過程中的實(shí)際變化情況，對(duì)超聲波氣體流量計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低在測(cè)量過程中的誤差，進(jìn)而提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

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