超声波流量计测量原理 整流器设计验证方案
针对时差法超声波流量计的测量准确度受管道条件影响较大的问题, 采用在流量计前端加装整流器的方法, 以减少因弯管等阻流件导致管道内出现的二次流、涡流等现象, 从而满足计量准确度的要求。整流器由风扇式叶片、直管混合区和多孔管段三部分组成, 风扇式叶片分别设计为8片、10片和12片三种形式。通过计算流体力学 (CFD) 数值仿真对管道内流速分布形态和线速度分布的一致性进行分析。仿真结果表明, 整流器叶片数为12片时整流效果***佳。采用标准流量计法流量标准装置, 对12片叶片的整流器的整流效果进行试验验证。试验结果表明:12片叶片的整流器不仅可以满足超声波流量计的测量准确度, 而且可以缩短上游弯管与超声波流量计之间的直管段距离。超声波流量计在工商业等天然气运输管道中的应用具有明显的优势。
0、引言：
超声波流量计作为一种电子式流量计, 目前广泛应用于工业、军事以及医学等领域[1]。作为速度式流量仪表, 超声波流量计的测量精度受管道条件的影响较大。其理想安装条件是管道内流体为充分发展状态。但在实际应用现场中, 由于弯管、阀门等阻流件的存在, 使管道内流体速度分布发生畸变, 速度分布不对称。因此, 只有保证超声波流量计的上游具有足够长的直管段, 才能满足其测量准确度[2]。而通常现场应用中, 往往无法满足足够长的直管段要求。因此, 必须在满足超声波流量计测量准确度的前提下, 缩短直管段长度。
管道内流体流经弯管时会出现二次流现象, 在其下游一定范围内的流动都是不对称的。Yeh T T等[3]对非理想状态下超声波流量计进行数值模拟。由于强烈的二次流的影响, 应用传统流量系数曲线无法得到准确的测量结果。王雪峰等[4]应用数值仿真技术及试验技术, 针对弯管安装条件及设计参数对气体超声波流量计误差产生原因进行分析, 得出弯管直径和安装位置对流量测量误差有一定影响。本文应用计算流体力学 (computational fluid dynamics, CFD) 的方法, 设计了一种整流器。应用试验证明, 该整流器可以在缩短超声波流量计上游直管段长度的同时, 满足测量准确度要求。
1、超声波流量计时差法测量原理：
根据信号检测原理的不同, 超声波流量计的测量方法主要有时差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、旋涡法和相关法等[5-6]。本文所述超声波流量计的测量方法为时差法。时差法是根据声波在流体中顺流传播时间与逆流传播时间, 计算得出流体的流速[7-8]。时差法测量原理如图1所示。
图1 时差法测量原理图Fig.1
超声波在管道内顺流传播时间tup和逆流传播tdown时间为:
式中:θ为超声波传播方向与气体流动方向的夹角;L为超声波在流体中传播的有效长度;D为管道直径;C0为超声波在静止流体中的传播速度;v0为管道内流体运动速度。
由式 (1) 和式 (2) 得出:
式中:KR为雷诺数修正系数;S为管道截面积;Qc为管道内流量。
2、整流器结构设计：
本文设计的超声波流量计整流器由三部分组成:前端为均匀分布的风扇式叶片, 中间为直管混合区, 后端为多孔管段。由于流量计上游各阻流件的存在, 使管道内流场分布不均匀, 同时还存在二次流等扰动现象。因此, 整流器前端设计为风扇式叶片形式, 使不均匀流体流经风扇式叶片后, 对流场进行重新分布, 以消除二次流、涡流等现象。由于叶片数量过少无法充分进行流场混合, 而叶片数量过多则会增加压损, 因此将风扇式叶片的叶片数量设计为8片、10片和12片, 并分别进行验证。整流器结构中间为直管段, 为流体经过风扇式叶片后提供流体混合区, 使其有足够的空间将流场分布趋于稳定。
整流器后端为多孔管段。由于传统的整流器的开孔结构不合理, 整流效果比较差, 因此本文根据文献[9]所述方法进行设计。在整流器横截面上选取多个节圆。首先确定整流器导流孔的总面积和管道横截面积的对应关系, 然后根据其对应关系确定导流孔的总面积和数量, ***后确定各节圆上导流孔的孔径尺寸位置。根据此方法, 在整流器横截面上先取5个节圆:在个节圆上开4个导流孔, 直径为7.64 mm;在第二个节圆上开8个导流孔, 直径为5.62 mm;在第三个节圆上开4个导流孔, 直径为7.5 mm;在第四个节圆上开8个导流孔, 直径为6.03 mm;在第五个节圆上开8个导流孔, 直径为6.34 mm。为了使流体经过多孔管段后可以充分地进行整流, 将多孔管段长度设为20 mm。
3、数值仿真结果及分析：
3.1、数值仿真计算模型：
本文所述超声波流量计管道内径D=50 mm, 流量范围为 (4~160) m3/h, 计量精度为1级, 一对超声波换能器安装于流量计水平中心平面上, 形成单声道测量形式。将整流器安装于超声波流量计进口处, 流量计上游单弯管与流量计之间直管段距离为5D, 其中弯管半径R=1.5D。
应用Fluent流体力学计算软件, 对超声波整流器在单弯管情况下的整流效果进行仿真。其中:单弯管、整流器和超声波流量计部分采用三维非结构化网格;直管段采用结构化网格;网格总数为150万左右。流体介质为常温标准大气压下的空气;入口边界条件为速度入口, 出口边界条件为自由流出;入口仿真流量分别为 (4, 16, 40, 64, 160) m3/h, 计算中应用Realizable k-ε湍流模型[9-10]。
3.2、数值仿真结果及分析：
时差法超声波流量计通过对射线上线速度所引起的顺流和逆流时间差进行流量计算。因此, 对射线上线速度的分布是否均匀会对流量计计量准确度有一定影响。然而, 流场的不均匀分布将直接影响线速度分布。应用Fluent仿真软件, 分别对8片、10片和12片叶片的整流器在单弯管情况下进行仿真。其中, 单弯管与流量计之间距离为5D。在流量相同时, 将对射线上线速度进行无量纲化处理, 得到如图2所示的线速度分布图。从图2可知, 当流量为4 m3/h和160 m3/h时, 叶片数量为12片时的对射线上线速度比8片和10片分布均匀, 且一致性更好, 同时满足压损要求。
图2 线速度分布图Fig.2 The line velocity profiles
同样可以根据流量计中间位置的纵向截面上速度分布情况, 判断整流器的效果。在流量为4 m3/h和160 m3/h时, 分别截取整流器叶片为8片、10片和12片时流量计中间位置的纵向截面, 其纵向截面速度等值线图如图3所示。
图3 纵向截面速度等值线示意图Fig.3 The velocity contours of intermediate section
从图3可知, 当叶片数量为12片时, 流量计中间位置速度更均匀, 且不存在二次流现象, 即整流器效果***好。因此, 整流器中叶片数量取12片。
4、气体流量标准装置试验：
4.1、试验方案：
根据数值仿真结果, 将12片叶片的整流器安装于流量计中进行试验验证。试验装置为气体流量标准装置。该装置主要由风机、阀门、标准表、管道、变频器和控制系统等组成, 是一台高精度的气体流量标准装置。其根据密闭管道内气体连续性原理, 将被检表与标准表串联, 在同一工况下完成校准、检定。该气体流量标准装置采用负压法进行测量, 工作介质为空气, 流量范围为 (0.5~2 000) m3/h, 流量调节精度为±0.5%, 试验管道口径为DN15~DN2 000, 因此可对本文所述超声波流量计进行试验。
4.2、试验结果：
将流量计安装在气体流量标准装置上, 分别对流量计进口处加装10D直管段和单弯管进行测试。弯管与流量计之间直管段为5D, 试验流量点为 (4, 16, 40, 64, 160) m3/h, 试验环境温度为25℃, 标准装置控制系统通过被检表脉冲输出的信号进行计数, 实现累积流量计量得出示值误差, 测试结果如表1所示。根据表1可知, 单弯管情况下的示值误差与10D直管段示值误差平均偏差在±0.3%范围内, 且满足测量准确度±1%的要求, 因此可以证明本文所设计整流器不仅可以满足测量准确度的要求, 而且可以缩短弯管与流量计之间直管段距离。
表1 测试结果Tab.1 Test results
5、结束语：
本文应用CFD数值仿真和气体流量标准装置试验方法。当上游阻流件为单弯管时, 分析所设计整流器对超声波流量计管道内流体的整流效果。由数值仿真可知, 当整流器叶片数量为12片时, 换能器对射线上线速度分布均匀, 且管道内截面上速度分布均匀, 整流效果好。应用气体标准装置试验对12片叶片的整流器进行验证, 结果表明, 本文所设计的整流器可以减小单弯管所引起的误差偏差值, 同时可以缩短单弯管与流量计之间直管段的距离, 满足测量准确度要求。