超聲波流量計(jì)在測量過程中的彎管誤差分析以及修正研究

一、本文引言 　 　 　

　超聲波流量計(jì)因?yàn)榫哂蟹墙佑|測量、計(jì)量準(zhǔn)確度高、運(yùn)行穩(wěn)定、無壓力損失等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前怩在工業(yè)檢測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，市場對(duì)于相關(guān)產(chǎn)品的需求十分地旺盛。伴隨著上個(gè)世紀(jì)80年代電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)于超聲波流量計(jì)的基礎(chǔ)研究也在不斷地深入，與此相關(guān)的各類涉及到人們生產(chǎn)與生活的新產(chǎn)品也日新月異，不斷出現(xiàn)。目前對(duì)于超聲波流量計(jì)測量精度的研究主要集中在3個(gè)方面：包括信號(hào)因素、硬件因素以及流場因素這三點(diǎn)。由于超聲波流量計(jì)對(duì)流場狀態(tài)十分敏感，實(shí)際安裝現(xiàn)場的流場不穩(wěn)定會(huì)直接影響流量計(jì)的測量精度。對(duì)于超聲波流量計(jì)流場研究多采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法，國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)超聲波流量計(jì)在彎管流場情況下進(jìn)行數(shù)值仿真，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以往的研究主要是針對(duì)規(guī)避安裝效應(yīng)的影響。不過在一些中小口徑超聲波流量計(jì)的應(yīng)用場合，因?yàn)槭艿綀龅氐南拗?，彎管下游緩沖管道不足，流體在流經(jīng)彎管后不能充分發(fā)展，檢測精度受到彎管下游徑向二次流分速度的極大影響，安裝效應(yīng)需要評(píng)估，并研究相應(yīng)的補(bǔ)償方法。

　 　 　 　本研究采用CFD仿真分析90°單彎管下游二次流誤差形成原因，并得出誤差的計(jì)算公式，定量地分析彎管下游不同緩沖管道后，不同雷諾數(shù)下的二次流誤差對(duì)測量精度的影響，最終得到誤差的修正規(guī)律。通過仿真發(fā)現(xiàn)，彎管出口處頂端和底端的壓力差與彎管二次流的強(qiáng)度有關(guān)，提出在實(shí)際測量中可通過測得此壓力差來對(duì)二次流誤差進(jìn)行修正的方法。該研究可用于分析其他類型的超聲波流量計(jì)的誤差分析，對(duì)超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)與安裝具有重要意義。

二、測量原理與誤差形成
1.1 超聲波流量計(jì)測量原理
本研究針對(duì)一款雙探頭時(shí)差法超聲波流量計(jì)。時(shí)差法是利用聲脈沖波在流體中順向與逆向傳播的時(shí)間差來測量流體流速。雙探頭超聲波流量計(jì)原理圖如圖1所示。

　 順向和逆向的傳播時(shí)間為t1 和t2 ，聲道線與管道壁面夾角為θ ，管道的橫截面積為S ，聲道線上的線平均流速vl 和體積流量Q 的表達(dá)式：

式中：L —超聲波流量計(jì)兩個(gè)探頭之間的距離；D —管道直徑；vm —管道的面平均流速，流速修正系數(shù)K 將聲道線上的速度vl 修正為截面上流體的平均速度vm 。
1.2 二次流誤差形成原因
流體流經(jīng)彎管，管內(nèi)流體受到離心力和粘性力相互作用，在管道徑向截面上形成一對(duì)反向?qū)ΨQ渦旋如圖2所示，稱為彎管二次流。有一無量綱數(shù)，迪恩數(shù)Dn 可用來表示彎管二次流的強(qiáng)度。當(dāng)管道模型固定時(shí)，迪恩數(shù)Dn 只與雷諾數(shù)Re 有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，流速越大，產(chǎn)生的二次流強(qiáng)度越大，隨著流動(dòng)的發(fā)展二次流逐漸減弱。

式中：d —管道直徑，R —彎管的曲率半徑。彎管下游形成的二次流在徑向平面的流動(dòng)，產(chǎn)生了彎管二次流的垂直誤差和水平誤差。聲道線上二次流速度方向示意圖如圖3所示。本研究在聲道線路徑上取兩個(gè)觀察面A和B，如圖3（a）所示；聲道線穿過這兩個(gè)二次流面的位置為a和b，如圖3（b）所示?？梢娪捎诼暤谰€穿過截面上渦的位置不同，作用在聲道線上的二次流速度方向也不同，如圖3（c）所示。其中，徑向平面二次流速度在水平方向（ X 方向）上的分速度，方向相反。

由于超聲波流量計(jì)的安裝，聲道線均在軸向平面，這導(dǎo)致系統(tǒng)無法檢測到與軸向平面垂直的二次流垂直分速度（Y 方向），產(chǎn)生了二次流的垂直誤差Ea，得到Ea 的計(jì)算公式如下：

式中：vf —聲道線在軸向平面上的速度。
二次流水平速度（X 方向的分速度）直接影響了超聲波流量計(jì)的軸向檢測平面，對(duì)檢測造成了非常大的影響。聲道線在空間上先后收到方向相反的二次流水平速度的作用，這在很大程度上削弱了誤差。但反向速度并不完全相等，且超聲波流量計(jì)是按固定角度進(jìn)行速度折算的，超聲波傳播速度vs 對(duì)應(yīng)地固定為軸向流速為vd ，而其真實(shí)流速為vf ，由此二次流徑向兩個(gè)相反的水平速度，分別導(dǎo)致了Δv1（如圖4（a）所示）和Δv2（如圖4（b）所示）兩個(gè)速度變化量，其中Δv1 導(dǎo)致測得的流速偏大，Δv2 導(dǎo)致測得的流速偏小，兩個(gè)誤差不能抵消，產(chǎn)生二次流的水平誤差Eb ：

式中：vx —聲道線線上X 方向的分速度即二次流水平速度，vz —Z 方向的分速度即主流方向分速度。

三、數(shù)值仿真
2.1 幾何模型
幾何模型采用的是管徑為50 mm的管道，彎管流場幾何模型示意圖如圖5所示。其由上游緩沖管道、彎管、下游緩沖管道、測量管道、出口管道5 部分構(gòu)成。全美氣體聯(lián)合會(huì)（AGA）發(fā)表的5AGA-96建議，在彎管流場的下游保留5倍管徑的直管作為緩沖，但有研究表明這個(gè)距離之后二次流的作用仍十分明顯。
據(jù)此，筆者設(shè)置流量計(jì)的3個(gè)典型安裝位置來放置測量管道，分別距上游彎道為5D，10D，20D。本研究在彎管出口處頂部和底部分別設(shè)置觀測點(diǎn)，測量兩點(diǎn)壓力，得到兩點(diǎn)的壓力差。
2.2 仿真與設(shè)定
在仿真前，筆者先對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用Gambit軟件，劃分時(shí)，順序是由線到面，由面到體。其中，為了得到更好的收斂性和精度，面網(wǎng)格如圖6所示。其采用錢幣畫法得到的矩形網(wǎng)格，體網(wǎng)格如圖7所示。其在彎道處加深了密度。網(wǎng)格數(shù)量總計(jì)為1.53×106。畫好網(wǎng)格后，導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)口條件設(shè)為速度進(jìn)口，出口設(shè)為outflow，介質(zhì)為空氣。研究結(jié)果表明，湍流模型采用RSM時(shí)與真實(shí)測量最接近［8］，故本研究選擇RSM模型。
為了排除次要因素的干擾，將仿真更加合理化，本研究進(jìn)行如下設(shè)定：①幾何模型固定不變，聲波發(fā)射角度設(shè)置為45°；②結(jié)合流量計(jì)的實(shí)際量程，將雷諾數(shù)（Re）設(shè)置為從3000~50000，通過改變進(jìn)口速度，來研究Re 對(duì)測量精度的影響；③由于Fluent是無法將聲波的傳播時(shí)間引入的，對(duì)于聲道線上的速度，筆者采用提取聲道線每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的速度，然后進(jìn)行線積分的方法計(jì)算。

四、仿真結(jié)果分析與討論
3.1 誤差分析與討論
彎管下游緩沖管道各典型位置（5D，10D，20D）二次流垂直誤差如圖8（a）所示，當(dāng)下游緩沖管道為5D時(shí)，二次流垂直誤差基本可以分為兩個(gè)階段，起初，誤差隨著Re 的增大而增大，在Re 值13 000之前，增幅明顯，當(dāng)Re 值在13 000~16 000時(shí)，增幅趨于平緩。在經(jīng)過Re 值16 000這個(gè)頂峰后，誤差反而隨著Re 值的增大而減小。當(dāng)下游緩沖管道為10D 時(shí)，誤差總體上隨著Re 的增大而增大，在Re 值14 000之前處于增幅明顯的上升趨勢，從Re 值14 000之后增幅開始減小。下游緩沖管道為20D 時(shí)，誤差隨Re 值增大而增大，增幅緩慢，且并不十分穩(wěn)定，這是由于二次流在流經(jīng)20D時(shí)，已經(jīng)發(fā)生衰減，二次流狀態(tài)不是很穩(wěn)定。二次流水平誤差如圖8（b）所示，其非常顯著的特點(diǎn)是誤差出現(xiàn)了正、負(fù)不同的情況，10D 處由于Δv1 比Δv2 要小，測得的流速偏小，誤差值變?yōu)樨?fù)，而在5D 和20D 處，Δv1和Δv2 的大小關(guān)系正好相反，流速偏大，誤差值為正，這表明二次流的水平誤差跟安裝位置有很大關(guān)系，甚至出現(xiàn)了誤差正、負(fù)不同的情況。
對(duì)比不同下游緩沖管道，總體看來，隨著流動(dòng)的發(fā)展，二次流強(qiáng)度減弱，誤差減小。但在Re 值29 000之前，5D 處的二次流垂直誤差比10D 處大，在Re 值29 000之后，由于變化趨勢不同，10D 處的誤差超過了5D 處的誤差?？梢姡⒉皇蔷嚯x上游彎管越近，誤差就越大。對(duì)比兩種誤差可見，二次流的垂直誤差總體大于二次流的水平誤差。
3.2 誤差修正
實(shí)際測量場合下，流量計(jì)本身就是測量流速的，所以事先并不知道彎管下游的二次流強(qiáng)度，這導(dǎo)致研究人員在知道誤差規(guī)律的情況下無法得知實(shí)際誤差。針對(duì)該情況，結(jié)合流體經(jīng)過彎管后的特點(diǎn)，本研究在流體彎管出口處的頂端和底端各設(shè)置一壓力測試點(diǎn)，得到其出口處的壓力差以反映二次流的強(qiáng)度。雷諾數(shù)與彎管出口壓力如圖9所示。由圖9可見，壓力差隨著雷諾數(shù)的增大而增大，在實(shí)際安裝場合，管道模型固定，由此，壓力差可用來反映二次流的強(qiáng)度。將雷諾數(shù)用壓力差表示，得到壓力差跟二次流的垂直誤差和水平誤差的關(guān)系。將兩種誤差結(jié)合，可得二次流的總誤差E總：
E總=Ea Eb -Ea ×Eb （9）
壓力差與總誤差關(guān)系圖如圖10所示。最終通過壓力差來對(duì)彎管二次流誤差進(jìn)行修正，得出壓力差與修正系數(shù)關(guān)系圖。