彎管對超聲波流量計測量精度的影響及改善措施

劉亞男, 楊 鳴

彎管對超聲波流量計測量精度的影響及改善措施

劉亞男, 楊 鳴*

（寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211）

流體經(jīng)過彎管易產(chǎn)生二次流、渦流等擾流情況, 使流道內(nèi)流速分布不均勻, 會對流量計的測量精度產(chǎn)生影響. 為研究擾流對流量計的影響, 利用建模與模擬仿真方式, 對G16型號單流道流量計在入口管道為雙彎管及半月雙彎管情況下的計量效果展開研究, 計算兩種情況下相對于入口管道為直管時的流量誤差度, 以此表明單流道流量計在安裝彎管時, 擾流給測量結(jié)果帶來的誤差. 為減小此類誤差, 建立G16型號雙流道流量計模型, 并對其進(jìn)行完全相同條件下的仿真實驗, 最后將所得數(shù)據(jù)與單流道流量計對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析. 結(jié)果表明, 雙流道流量計相對于單流道流量計在各流量下的測量精度均有所提高. 當(dāng)流量為2.5m3·h-1及10m3·h-1, 入口管道為半月雙彎管時, 測量精度分別提高了1.0940%和1.2058%; 入口管道為雙彎管時, 測量精度分別提高了2.1120%和2.2930%. 雙流道流量計相比于單流道流量計, 較大程度地改善了彎管帶來的擾流影響, 且計量精度有效提高.

超聲波流量計; 彎管; 單流道; 雙流道; 模擬仿真

氣體超聲波流量計具有計量精度高、量程比大、性能穩(wěn)定、管道中無壓力損失等特點, 相比傳統(tǒng)流量計優(yōu)勢顯著, 其在天然氣流量計量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用, 且發(fā)展迅速[1]. 如何提高超聲波流量計的測量精度是當(dāng)前此領(lǐng)域研發(fā)的要點. 作為速度式流量儀表, 其測量精度受流道影響較大, 因此理想情況是流道呈充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)[2]. 但在實際安裝過程中, 由于受前置彎管、開關(guān)閥門等器件影響, 流道很難達(dá)到這種狀態(tài)[3]. 研究表明, 在流量計入口處安裝足夠長的直管可以有效改善這種情況[4], 但實際安裝時由于空間限制, 無法滿足前置長直管的要求, 因此通常需要前置彎管, 而前置彎管會導(dǎo)致二次流和渦流等擾流, 使流道內(nèi)流速分布不均勻[5]. 當(dāng)前, 國內(nèi)一些超聲波流量計廠商所使用的G16型號單流道具有以下缺點: 探頭發(fā)出的超聲波可覆蓋范圍小, 靠近流道前后壁面有較大部分流速無法測得. 因此使用該流道的流量計, 且當(dāng)其入口管道為彎管時, 測量結(jié)果就會不準(zhǔn)確.

本文首先對使用單流道的流量計測量精度進(jìn)行研究, 流量計入口管道分別安裝直管、雙彎管和半月雙彎管, 將安裝這3種管道的流量計分別導(dǎo)入FloEFD仿真軟件進(jìn)行仿真, 結(jié)果表明安裝雙彎管和半月雙彎管的流量計產(chǎn)生的相對誤差較大, 說明彎管給其測量精度帶來較大影響. 然后基于此G16型號單流道在結(jié)構(gòu)上存在的缺點, 對其進(jìn)行改善并增加流道數(shù), 構(gòu)建G16型號雙流道超聲波流量計, 并通過與單流道流量計同等條件下的仿真實驗, 證明雙流道超聲波流量計的抗擾流能力優(yōu)于單流道超聲波流量計. 研究結(jié)果能為提高彎管安裝下流量計的測量精度提供相關(guān)參考.

1 超聲波流量計的原理

超聲波流量計的流速測量以時差法為主, 以發(fā)射和接收換能器之間的連線作為超聲波的傳播路徑[6]. 直射式和反射式為單聲道最常見的兩種布置方式. 采用直射式布置方式時, 抗漩渦流和交叉流的能力較弱, 而反射式聲道布置能有效克服復(fù)雜流場帶來的不利影響, 同時聲道長度的增加使渡越時間的測量更加準(zhǔn)確, 因此在小管道流量測量中采用這種布置方式能發(fā)揮較大優(yōu)勢[7]. 本文中的流道均使用的反射式聲道布置方式, 其測量原理如圖1所示.

圖1 時差法反射式聲道測量原理

圖2 直管正視圖

圖3 雙彎管正視圖

圖4 半月雙彎管縱向剖面圖

2 入口管道模型設(shè)置

在實際使用中, 流量計會在進(jìn)氣管道前配有開關(guān)閥門, 管道內(nèi)部安裝有一塊隔板, 進(jìn)氣管道為雙彎管, 且隔板為半開狀態(tài)時, 擾流影響最大. 在此安裝條件下, 若仿真效果依然理想, 則代表流量計的計量性能好. 因此, 本文除直管與雙彎管外, 還增加半月雙彎管. 管道公稱直徑=46.5mm, 直管長度為5. 雙彎管中彎管半徑=1.5, 入口緩沖區(qū)管道長度為5, 出口緩沖區(qū)管道長度為3. 半月雙彎管即在2個彎頭間增加半管面積板, 開口朝向第一個彎管的外部半徑. 管道模型圖如圖2～圖4所示.

3 入口管道安裝效應(yīng)仿真

圖5～圖7分別為上述3種入口管道下的橫向速度等高線及矢量切面圖. 入口體積流量均為25 m3·h-1, 測量段均設(shè)置在下游直管道最底部. 由直管安裝效應(yīng)仿真圖看出, 管道外周速度較低, 流體集中流向管道中部, 流速分布均勻, 整體效果較為理想. 從雙彎管安裝效應(yīng)仿真圖可以看到二次流速度呈對稱渦旋分布情況, 說明氣流經(jīng)過雙彎管后不僅只有沿管道的軸向速度, 還產(chǎn)生了徑向分速度[8-9]. 從半月雙彎管安裝效應(yīng)仿真圖中看出靠近雙彎管上游直管軸向一側(cè)的速度較低, 另一側(cè)速度較高, 且同樣有二次流速度渦旋分布情況. 由此說明, 氣流經(jīng)過彎管會形成擾流, 到達(dá)流道內(nèi)時, 使流場分布受到影響, 從而給測量結(jié)果帶來誤差.

4 G16單流道超聲波流量計仿真研究

4.1 模型建立

利用Creo建模軟件構(gòu)建如圖8所示G16型號單流道超聲波流量計模型, 其中主要器件有流道、入口閥門以及與流道連接的出氣通道. 流道模型如圖9所示. 矩形流道長132mm, 在流道內(nèi)部加裝23個整流片, 隔片厚度為0.3mm, 長度為51.2mm, 流道內(nèi)部寬45.3mm, 高22mm. 一對超聲波換能器安裝在流道上側(cè), 形成反射型單聲道測量模式. 相鄰整流片之間的距離為1.6mm. 下面將通過仿真對此流量計的計量效果展開研究.

圖5 直管安裝效應(yīng)仿真圖

圖6 雙彎管安裝效應(yīng)仿真圖

圖7 半月雙彎管安裝效應(yīng)仿真圖

圖8 G16單流道流量計模型

圖9 G16單流道模型

4.2 模擬仿真

計算流體力學(xué)(簡稱CFD)是數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物, 以實現(xiàn)對流體力學(xué)的模擬仿真與分析, 能夠直觀有效地反映出流體流動的狀態(tài)[10]. 對上述G16單流道超聲波流量計分別安裝直管、雙彎管和半月雙彎管入口管道, 彎管安裝方向均向左, 出口均安裝直管. 將這3個流量計模型分別導(dǎo)入FloEFD仿真軟件進(jìn)行仿真. 體積流量范圍為0.16～25m3·h-1. 選取5個流量進(jìn)行仿真, 分別為min、0.1max、0.4max、0.7max、max.

以入口體積流量為25m3·h-1時的仿真情況為例, 得到圖10～12所示的3個流量計的流道中部位置等高線橫向切面圖. 由圖可見, 入口管道為直管情況下, 流道內(nèi)的流速分布最為均勻, 測量結(jié)果最為準(zhǔn)確, 因此選擇直管情況下得到的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值. 當(dāng)入口管道為雙彎管以及半月雙彎管時, 流場分布不均勻, 且流速有所降低. 這也再次證明, 彎管引起的擾流進(jìn)入流道內(nèi), 流場分布受到影響.

圖10 直管安裝流道切面圖

圖11 雙彎管安裝流道切面圖

圖12 半月雙彎管安裝流道切面圖

由于靠近整流片位置有黏性的阻滯作用, 導(dǎo)致此處流速較低, 使其不具代表性, 因此測速線段需位于流道中心處. 由于線段上側(cè)端點必須位于超聲波換能器底面上, 因此最多可畫出4條連接線模擬傳播路徑以供計算. 模擬聲道連線方式如圖13所示(鑒于4條連接線呈平行關(guān)系, 因此主視圖中只可看見1條連接線). 由于4條測速線所能覆蓋的范圍小, 靠近流道前后壁面有較大部分流速無法測得, 會對流量計的測量精度造成影響, 這為后文雙流道超聲波流量計的設(shè)計提供了思路.

圖13 流道模擬聲道連線方式

以流量為25m3·h-1, 入口管道為直管情況下的仿真結(jié)果為例, 得到的4條測速線段的線速度與距離間的變化曲線(圖14).

圖14 25 m3·h-1直管情況下的線速度分布

由于流道中流速分布不均勻, 因此需要將4條路徑的平均線速度再求平均值作為最終結(jié)果. 計算公式如下:

式中:為流道的橫截面面積.

根據(jù)式(4)、(5)、(6)最終求得入口管道為直管, 流量為25m3·h-1時的理論流量為25.5469m3·h-1. 根據(jù)仿真結(jié)果求取每個流量下的理論流量, 整理數(shù)據(jù)結(jié)果見表1.

表1 3個流量計各流量對應(yīng)理論流量值 m3·h-1

注: ①直管; ②雙彎管; ③半月雙彎管.

4.3 流量誤差曲線線性化修正

由此, 流量修正系數(shù)K:

根據(jù)仿真結(jié)果計算得到每個流量對應(yīng)的修正系數(shù)(K保留6位有效數(shù)字), 結(jié)果見表2.

表2 各流量對應(yīng)的修正系數(shù)

誤差曲線線性化修正函數(shù)采用分段二次曲線擬合, 流量擬合點分別為min、0.1max、0.4max、0.7max、max. 其中min、0.1max、0.4max為第一段擬合; 0.4max、0.7max、max為第二段擬合. 誤差修正方程如下:

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入, 求得修正方程為:

根據(jù)分段修正方程可以求得min至max之間任意流量對應(yīng)的修正系數(shù). 則修正流量公式為:

由于本文以直管情況下修正得到的流量值作為標(biāo)準(zhǔn)值, 因此也將其在5個流量下求得的修正系數(shù)作為雙彎管和半月雙彎管入口管道流量計對應(yīng)流量的修正系數(shù). 則由仿真結(jié)果根據(jù)式(18)可以得到每個流量計各流量修正后的流量, 再計算誤差度. 誤差計算公式為:

式中:wr為彎修流量;zr為直修流量.

直管誤差計算公式為:

表3即為根據(jù)式(19)和式(20)得到的3個流量計對應(yīng)流量的相對誤差.

表3 3個流量計對應(yīng)流量的相對誤差

圖15 不同管道下單流道流量計相對誤差折線圖

5 G16雙流道超聲波流量計模型設(shè)計及仿真研究

5.1 數(shù)學(xué)建模

基于上述G16單流道在結(jié)構(gòu)上存在的缺點, 設(shè)計G16雙流道. 流量計除流道結(jié)構(gòu)與出氣通道有所改變, 其余器件均相同, 矩形流道長107mm, 流道內(nèi)部寬21.7mm, 高25mm. 聲道形式依然是反射型單聲道. 流道內(nèi)部加裝9個整流片, 隔片厚度為0.3mm, 長度為58.6mm, 隔片間距離為1.9mm. 流量計以及流道模型結(jié)構(gòu)如圖16～圖17所示.

5.2 模擬仿真

圖16 G16雙流道流量計模型圖

圖17 G16雙流道模型圖

以入口體積流量為25m3·h-1時的仿真情況為例, 得到如圖18～圖20所示的3個流量計流道中部位置等高線橫向切面圖. 與圖11～圖13相比, 這3個切面圖區(qū)分度不是很明顯, 流場分布較均勻, 但仍可看出, 入口管道為直管時, 流速分布最均勻, 入口管道為雙彎管和半月雙彎管時, 流場較直管情況下不均勻, 且流速有所減慢. 初步可以斷定, 彎管對雙流道流量計測量精度的影響小于對單流道流量計測量精度的影響.

雙流道內(nèi)共有8條線段用以模擬傳播路徑, 與G16單流道相比, 增加了1倍, 且靠近流道前后壁面兩側(cè)未能被超聲波覆蓋的范圍減小. 由此推測, G16雙流道流量計的測量誤差小于G16單流道流量計的測量誤差. 模擬聲道連線圖如圖21所示.

圖21 流道模擬聲道連線方式圖

流道線平均流速計算公式為:

根據(jù)仿真結(jié)果以及式(6)求取每個流量計對應(yīng)流量下的理論流量, 最終整理結(jié)果見表4.

表4 3個流量計各流量對應(yīng)理論流量值 m3·h-1

注: ①直管; ②雙彎管; ③半月雙彎管.

5.3 流量誤差曲線線性化修正

表5即為根據(jù)仿真結(jié)果及式(8)計算得到每個流量對應(yīng)的修正系數(shù).

表5 各流量對應(yīng)修正系數(shù)

圖18 直管安裝流道切面圖

圖19 雙彎管安裝流道切面圖

圖20 半月雙彎管安裝流道切面圖

由式(9)～(15)求得修正方程為:

最后, 表6即為由式(19)和式(20)求得的3個流量計對應(yīng)流量相對誤差.

表6 3個流量計對應(yīng)流量相對誤差度

根據(jù)表6得到相對誤差折線. 如圖22可知, 入口管道為直管的流量計, 各流量相對誤差均接近于0, 且全部滿足國家標(biāo)準(zhǔn); 入口管道為雙彎管的流量計, 各流量相對誤差全部滿足國家標(biāo)準(zhǔn); 入口管道為半月雙彎管的流量計, 在為2.5m3·h-1以及10m3·h-1時, 相對誤差不滿足國家標(biāo)準(zhǔn). 圖22與圖15相比可知, 彎管給雙流道流量計帶來的誤差小于文中的單流道流量計, 流道有所改進(jìn), 但仍可進(jìn)一步改善.

圖22 不同管道下雙流道流量計相對誤差折線圖

6 雙流道與單流道流量計的計量精度比較

根據(jù)表3與表6中的數(shù)據(jù), 計算入口管道分別安裝2種彎管時, 雙流道流量計相對于單流道流量計在各流量下的精度值.計算公式為:

式中:1為單流道流量計在各種流量下的誤差度,2為雙流道流量計在各種流量下的誤差度.

由表7的結(jié)果比較可知, 入口管道安裝為半月雙彎管的雙流道流量計時, 在為2.5m3·h-1以及10m3·h-1時, 計量精度相對于單流道流量計分別提高了1.0940%和1.2058%, 而入口管道安裝為雙彎管時, 精度分別提高了2.1120%和2.2930%, 所有求得的Δ值均大于0, 說明雙流道流量計相比單流道流量計抗擾流能力更好, 計量精度明顯提高.

表7 雙流道流量計相對于單流道流量計在各種流量下的測量精度提高值

7 結(jié)論

本文首先對分別安裝直管、雙彎管和半月雙彎管入口管道的G16單流道超聲波流量計進(jìn)行仿真, 根據(jù)仿真結(jié)果求取流量值, 通過修正流量值并計算相對誤差的方式, 驗證了彎管對單流道流量計的計量精度產(chǎn)生較大影響, 然后針對此單流道流量計所存在的缺點, 建立G16型號雙流道流量計, 進(jìn)行同等條件下的仿真實驗, 最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比得出如下結(jié)論:

(1)氣流經(jīng)過彎管會產(chǎn)生二次流、渦流等擾流, 造成流道內(nèi)的流場分布不均勻, 給流量計測量精度帶來影響.

(2)G16單流道超聲波流量計在安裝雙彎管及半月雙彎管情況下, 擾流影響較大, 流道內(nèi)流場分布不均勻, 且超聲波可覆蓋范圍小, 測量精度不夠高, 相對誤差大.

(3)G16雙流道超聲波流量計在安裝雙彎管及半月雙彎管情況下, 擾流影響較小, 流道內(nèi)流場分布較均勻, 超聲波可覆蓋范圍增大, 測量精度較高, 相對誤差減小.

(4)在流量為2.5m3·h-1以及10m3·h-1, 入口管道為半月雙彎管時, 雙流道流量計相對于單流道流量計測量精度分別提高1.0940%和1.2058%, 入口管道為雙彎管時, 測量精度分別提高2.1120%和2.2930%, 而在其余流量下, 測量精度也均有所提高, 流量計計量效果得到有效改善.

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Effect of elbow on measurement accuracy of ultrasonic flowmeter and the improvement measures

LIU Yanan, YANG Ming*

( Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

When the fluid passes through the elbow of a channel, it is easy to produce secondary flow, eddy current and other complications, resulting in uneven velocity distribution in the channel. These complexities will affect the measurement accuracy of the flowmeter. In order to study the effect of turbulence on flowmeter, the measurement effect of G16 single channel flowmeter is investigated when the inlet pipe bears either double elbow or half moon double elbow by modeling and simulation. The flow error is calculated when the inlet pipe is straight pipe, so as to show the error was caused by the turbulence to the measurement result when the single channel flowmeter is installed with elbow. In order to reduce this kind of error, the model of G16 double channel flowmeter is established, and the simulation experiment is conducted under the same conditions. Finally, the obtained data are compared with the corresponding data of single channel flowmeter. The results show that the measurement accuracy of double channel flowmeter is higher than that of single channel flowmeter at each flow point. When the flow points are 2.5m3·h-1and 10m3·h-1and the inlet pipe is half moon double elbow, the measurement accuracy is improved by 1.0940% and 1.2058% respectively. When the inlet pipe is double elbow, the measurement accuracy is improved by 2.1120% and 2.2930% respectively. Compared with the single channel flowmeter, the double channel flowmeter greatly inhibits the disturbance caused by the elbow, and the measurement accuracy is thus significantly improved.

ultrasonic flowmeter; elbow; single channel; dual channel; numerical simulation

2021?05?18.

寧波大學(xué)學(xué)報（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

劉亞男（1996－）, 女, 安徽六安人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 超聲波氣體流量計. E-mail: 1774596495@qq.com

通信作者:楊鳴（1963－）, 男, 浙江寧波人, 研究員, 主要研究方向: 超聲波計量及顯微圖像處理. E-mail: yangming@nbu.edu.cn

TH814

A

1001-5132（2022）03-0098-08

（責(zé)任編輯 章踐立）