球閥開(kāi)度對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的影響

盧宜東，于文浩，周文江，梁 超

（石家莊華電供熱集團(tuán)有限公司，石家莊 050000）

我國(guó)政府一直高度關(guān)注氣候變化對(duì)國(guó)家和社會(huì)的影響，并積極推進(jìn)碳減排工作。 2020年正式提出2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，精準(zhǔn)計(jì)量是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的有力推手之一。 利用便攜式超聲波流量計(jì)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)安裝、安裝與拆卸耗時(shí)長(zhǎng)且體積較大的流量測(cè)量?jī)x表進(jìn)行在線校準(zhǔn)成為首選方案[1-4]。 在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過(guò)程中，便攜式超聲波流量計(jì)也會(huì)遇到前后直管段長(zhǎng)度不滿足要求情況，然而，國(guó)內(nèi)關(guān)于便攜式超聲波流量計(jì)在非標(biāo)準(zhǔn)安裝條件下計(jì)量性能的科學(xué)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。 因此，本文以不同開(kāi)度的球閥為擾流件，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)與實(shí)流實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究便攜式超聲波流量計(jì)在V 型聲程下的換能器最佳周向安裝位置，探索球閥開(kāi)度與前直管段長(zhǎng)度對(duì)便攜式超聲波流計(jì)測(cè)量精度的影響規(guī)律。 該研究結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)便攜式超聲波流量計(jì)在非標(biāo)準(zhǔn)安裝條件下能夠進(jìn)行有效校準(zhǔn)的工作具有重要意義。

1 超聲波流量計(jì)工作原理

便攜式超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理如圖1 所示，超聲波在流體中傳播時(shí)就會(huì)承載流體的流速信息，因此，通過(guò)接收到穿過(guò)流體的超聲波就可以檢測(cè)出流體的流速，從而換算成流量。 檢測(cè)方法中應(yīng)用最為普遍的是速度差法，其基本原理是利用測(cè)量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過(guò)程中的速度差來(lái)反應(yīng)流體的流速[5-7]。 由式（2）可知，測(cè)量管道中的聲波傳播路徑上的漩渦、速度分布等流動(dòng)參數(shù)是影響超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。

圖1 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理Fig.1 Measurement principle of ultrasonic flowmeter

對(duì)于V 型聲程，流速和流量計(jì)算公式分別為式（1）和式（2）：

式中：θ2為超聲波在流體中的折射角；t2為超聲波逆流傳播時(shí)間；t1為超聲波順流傳播時(shí)間。

2 研究方案

本研究采用的球閥結(jié)構(gòu)如圖2 所示，首先利用CFD 數(shù)值模擬對(duì)不同開(kāi)度球閥的下游流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示球閥下游流場(chǎng)分布規(guī)律；在流場(chǎng)分析基礎(chǔ)上，利用石家莊華電供熱集團(tuán)有限公司的標(biāo)準(zhǔn)水裝置進(jìn)行球閥開(kāi)度K、 換能器布置位置p 及前直管段長(zhǎng)度L 對(duì)測(cè)量精度影響的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3 所示。

圖2 球閥結(jié)構(gòu)與換能器安裝角度Fig.2 Structure of ball valve and installation angle of transducer

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device

受閥門(mén)開(kāi)度影響，測(cè)量經(jīng)過(guò)球閥后形成射流，因此本研究采用CFD 技術(shù)中的SST k-ω 湍流模型對(duì)球閥下游的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[8-9]。 圖4 為不同開(kāi)度（30%，50%，70%） 通徑球閥下游的速度場(chǎng)云圖，從圖中可以看出，射流出射后與周圍靜止流體形成速度不連續(xù)的間斷面，間斷面失穩(wěn)產(chǎn)生旋渦，旋渦尺寸隨閥門(mén)開(kāi)度的減小而增大。 鑒于上述流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)換能器布置在周向基準(zhǔn)安裝位置（圖2 中d 線，即換能器連線為閥芯旋轉(zhuǎn)軸的高流速側(cè)中垂線）處的測(cè)量偏差最小、流動(dòng)穩(wěn)定性最好，且開(kāi)度越大，便攜式超聲波流量計(jì)對(duì)前直管段長(zhǎng)度的要求越短。 但受現(xiàn)場(chǎng)空間和人為因素影響，該換能器布置位置難以保證。 為了確定便攜式超聲波流量計(jì)在V 型聲程下的換能器最佳周向安裝區(qū)域，探索前直管段長(zhǎng)度對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的影響規(guī)律，本研究制定如表1 所示的實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)定基準(zhǔn)安裝位置d 為0°、a 為安裝位置旋轉(zhuǎn)15°、a′為安裝位置旋轉(zhuǎn)-15°、b 為安裝位置旋轉(zhuǎn)10°、b′為安裝 位置旋轉(zhuǎn)-10°、c 為安裝位置旋轉(zhuǎn)5°、c′為安裝位置旋轉(zhuǎn)-5°，具體位置見(jiàn)圖2。

圖4 不同開(kāi)度球閥下游速度場(chǎng)云圖Fig.4 Velocity nephogram downstream of ball valve with different opening

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Experimental scheme

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用相對(duì)示值誤差、誤差偏移量和測(cè)量重復(fù)性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，相對(duì)示值誤差為式（3）和式（4），誤差偏移量為式（5），重復(fù)性計(jì)算公式為式（6）和式（7）：

式中：Eij為第i 流量點(diǎn)第j 次測(cè)量的相對(duì)誤差；qij為被檢表第i 流量點(diǎn)第j 次測(cè)量時(shí)流量值；（qs）ij為標(biāo)準(zhǔn)表第i 流量點(diǎn)第j 次測(cè)量的流量值。

式中：（Ed）i為換能器位于基準(zhǔn)位置d 時(shí)的測(cè)量誤差；（Ep）i為換能器位于位置d，a，a′，b，b′，c，c′時(shí)的測(cè)量誤差。

式中：Eri為第流量點(diǎn)的相等誤差重復(fù)性；Ei為第i個(gè)流量點(diǎn)的平均相對(duì)誤差；Er為被測(cè)儀表在整個(gè)量程范圍內(nèi)的重復(fù)性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)換能器布置在基準(zhǔn)位置d， 球閥開(kāi)度K 與前直管段長(zhǎng)度L 對(duì)便攜式超聲流量計(jì)測(cè)量精度的影響規(guī)律如圖5 所示， 從圖中可以看出，K 相同時(shí)，測(cè)量誤差Ei隨L 的增加而減?。籐 相同時(shí)， 測(cè)量誤差隨K 的增大而減??；L 對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的誤差波動(dòng)性影響較小， 誤差可近似于常數(shù)； 當(dāng)K≥50%，L≥5D時(shí)，測(cè)量誤差接近-1%；

圖5 前直管段長(zhǎng)度對(duì)便攜式超聲流量計(jì)測(cè)量精度的影響規(guī)律（p=d）Fig.5 Influence law of front straight pipe length on measurement accuracy of portable ultrasonic flowmeter（p=d）

換能器布置位置p 引入的測(cè)量誤差偏移量分布規(guī)律如圖6 所示，從圖中可以看出，在-10°≤p≤10°范圍內(nèi)，誤差偏移量σ 在±1%以內(nèi)；在p＜-10°或p＞10°時(shí)，p 引入的誤差偏移量σ 較大， 且波動(dòng)范圍較寬。

圖6 換能器安裝位置（p）引入的測(cè)量誤差偏移量分布規(guī)律Fig.6 Distribution law of measurement error offset introduced by transducer installation position（p）

K，p 及L 對(duì)便攜式超聲流量計(jì)測(cè)量重復(fù)性的影響規(guī)律如圖7 所示。由圖可見(jiàn)，p 是影響測(cè)量誤差的重復(fù)性的關(guān)鍵因素，當(dāng)-10°≤p≤10°范圍內(nèi)，測(cè)量誤差重復(fù)性Er≤0.33%， 滿足1 級(jí)表的重復(fù)性要求；K及L 對(duì)測(cè)量誤差重復(fù)的影響較小。

圖7 便攜式超聲流量計(jì)測(cè)量重復(fù)性的影響因素及影響程度Fig.7 Influencing factors and degree of measurement repeatability of portable ultrasonic flowmeter

4 結(jié)語(yǔ)

球閥開(kāi)度K、前直管段長(zhǎng)度L、換能器布置位置p 均是影響便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量性能的關(guān)鍵因素。 當(dāng)K≥50%，-10°≤p≤10°時(shí)，K 和L 是影響誤差大小的關(guān)鍵因素，p 是影響測(cè)量誤差重復(fù)性的關(guān)鍵因素；測(cè)量誤差隨K 和L 的增大而減?。辉谡麄€(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，L 對(duì)誤差波動(dòng)性影響較小，誤差可近似于常數(shù)；測(cè)量誤差重復(fù)性Er≤0.33%；引入的誤差偏移量在±1 以內(nèi)。因此，當(dāng)K≥50%，-10°≤p≤10°時(shí)，由直管段長(zhǎng)度不足引入的便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量誤差通過(guò)修正，可以保證測(cè)量精度在±1%以內(nèi)，測(cè)量誤差重復(fù)性在0.33%以內(nèi)，滿足在線校準(zhǔn)要求。