基于改善水流特性的超声波热量表设计

李世光+贾俊征+高正中+谭冲

摘 要： 针对基表内水流分布是影响流量测量精度的关键问题，利用流体力学知识结合数值模拟分析，设计了一种基于改善水流特性的超声波热量表。通过对热量表DN25型基表内流场分析，在进水口中心线处安装一个圆锥体整流装置，采用圆滑立柱型的反射装置，有利于分流从而防止射流的产生；在测量管道前端增加一个“喇叭口”的导流构型和增大长径比，有利于流动发展完全，提高测量精度。通过Matlab软件仿真，对比基表优化前后的偏差曲线图证明所设计热量表的稳定性和精度都得到了提高，达到了预期的要求，具有广阔的市场前景。

关键词： 流体力学； 整流； 立柱型； 喇叭口； 长径比

中图分类号： TN02?34； TH702 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）23?0124?05

Design of ultrasonic heat meter based on water flow characteristic improvement

LI Shiguang， JIA Junzheng， GAO Zhengzhong， TAN Chong， LI Kaixuan

（Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： Since the water flow distribution in base table is a key problem to affect on the flow measurement accuracy， the hydromechanics knowledge combined with the numerical simulation analysis is adopted to design an ultrasonic heat meter based on the water flow characteristic improvement. By analyzing the internal flow field of the DN25?type base table， a cone rectifier is installed on the center line of the water inlet and the reflection unit of smooth pillar type is adopted to facilitate the shunting and avoid the jet flow production. A ″flared″ diversion kerb configuration is added to the front end of the measuring channel and the length?diameter ratio is increased to benefit to the entire flow improvement and improve the total fluxion development. The deviation curve graphs before and after optimizing are compared by the simulation of Matlab software. The results prove that the stability and precision of the designed heat meter are improved， and the meter meets the expected requirements and has a broad market prospect.

Keywords： hydromechanics； rectification； pillar type； flared type； length?diameter ratio

0 引 言

我国北方采暖地区70%以上的民用建筑采用集中供热方式采暖[1]，供热计量改革后采用“分户供暖，分户计量”的采暖计费制度代替过去按平方面积收费不合理的制度。用于测量、计算和显示热交换系统所释放或吸收热量值仪表的热量表，根据流量传感器的测量原理分为机械式、超声波式和电磁式。其中，超声波热量表由于对热介质要求较低、稳定性好和精度高等特点，在分户供暖计量的热量表市场中越来越受欢迎。

目前超声波热量表发展快，应用广泛，它可应用于含铁锈等杂质的热交换系统中，符合供暖行业的现状。通过数值模拟分析基表内水流特性，对基表进行优化设计，得到高精度、低功耗的超声波热量表。

1 超声波热量表的工作原理

1.1 热量表的热量计量数学模型

超声波热量表是在超声波流量计的基础上，在供、回水管道端口处加上温度传感器测量温度，通过测出管道内流体的流量和进、出水的温差计算出用户使用的热量。其中流量测量部分利用一对配对的超声波换能器相互交替（或同时）收发超声波信号，通过德国ACAM公司的计时芯片TDC?GP22测量出超声波信号在流体中顺水流和逆水流的传播时间差来测量管道中的流体流速，流体流量间接通过流速计算得出。流体经过热交换系统时根据时差法测量的流体流量、管道的进出水温度和流体经过的时间，通过MSP430 MCU的计算就得到供用户实际使用的热量[2]。

目前，国内热量表普遍采用热焓值法，热焓值的计算公式[3]为：

2 水流特性的分析

实际流体都是有粘性的，故又称为粘性流体。流体流经管道内壁面时，紧贴管道内壁面的流体质点将粘附在壁面上，它们相对壁面的速度为零。粘附在管道壁面上的流体质点受静止壁面的影响，在管道壁面和流体的主流之间则有一个由零过渡到主流速度[v]的流速变化区域。对于流速不均匀的粘性流体，在流动的垂直方向上出现速度梯度[6]。

因此，粘性流体在不同流速下存在不同状态，通常把雷诺数Re作为判别层流和湍流的准则，而且实际工程上一般取临界雷诺数Re=2 000。如图2所示，当Re≤2 000时，流动为层流，分布为旋转抛物面；当Re>2 000时，流动是湍流，分布为对数分布。

2.1 基表内流场的流动特性

利用RNGk?s模型通过FLUENT软件对户用超声波热量表DN25型基表进行数值模拟计算可知，流体流经基表的流动分为三个不同的阶段[7]。

第一阶段：流入流体绕流前端的反射装置后形成两条射流夹死区，并且在其背后形成流动的一段“静水区”。进水端口的入口形态影响两条射流的强度和方向以及静水区的面积大小和稳定性。

第二阶段：两条射流汇合在管道前端时，流体中间比四周流速快，通过在管道内不断地交换能量后，速度逐渐发展均匀平稳。湍流程度和长径比影响着速度发展均匀的快慢。

第三阶段：流体在管道内流动发展后，流经后端的反射装置形成两条射流从管道流出。其受出水口结构的影响。

文献[8]研究了管道过渡区的水流特性，分析了U型反射方式流量计过渡曲面?线平均速度关系的正确性，热量表的修正系数[k]有了理论依据。文献[9]通过LES数值模拟计算，对超声波热量表DN25型基表的反射柱大小、流体过流面积和反射路程等方面进行了研究，数值分析后得出了优化现有基表的方案。文献[10]研究了在湍流继续发展下，根据射线追踪算法将声波信号速度和流体横截面平均速度的不稳定性应用到分析算法中，同时研究了影响管道横截面平均温度和速度的因素。文献[11]研究了带控制片方柱在高雷诺数下非定常态的绕流问题，加装整流片抑制或形成的涡会影响柱体侧面的分离，使方柱阻力系数减小。

目前，对超声波热量表的研究与设计主要集中在基表结构，还有在定常状态下的水流特性的研究，很多重要因素影响着热量表测量的精度[12]，比如基表内的水流特性。根据影响因素对基表进行改进，才能更好地提高测量精度。

经过数值模拟分析，在低流量段适应性最大偏差为4.8%，且整个流量范围的适应性还是很好的，测量误差波动范围较小。实际工程中超声波热量表的常用流量范围为低流量段（0.05～0.5 m3/h），此流量区间的精度是热量表性能重要的衡量指标。流体流速在测量管道内的分布是影响热量表性能好坏的关键因素，很有必要分析流动发展规律。在基表前端直管段与前端阀门后中心线的速度分布如图3所示。

a区为第一阶段，前端有阀门的中心线速度略高，雷诺系数、反射片以及基表结构影响着该处的速度分布，圆滑的反射片区域能提高对于不同入口的热量表的适应性。

b区为第二阶段，进入测管后流体速度迅速发展稳定，有较好的适应性，前端直管段与前端阀处的速度分布偏差较大，该处使热量表性能受到的影响最大。

c区为第三阶段，是出水端反射片附近的速度分布，该阶段主要受第一、二阶段的影响，故可忽略。

在测量管道的前端阀门以及前端直管段处，流体流动很快发展稳定，其速度曲线分布对称性较好，表明基表具有很强的适应能力。

2.2 基表的优化设计方案

根据基表内流场特性分析可知，反射片表面死区和测量管道内区域是影响中心线速度分布的主要因素。其中雷诺系数、反射片和基表结构对反射片死区情况作用最大，而雷诺系数、入口形状和长径比影响着测量管道的速度分布。

研究基表内的流场结构表明，进出水端口平滑可以抑制由于尖锐端口造成管道内流体流动的分离而形成的两条射流，使静水区影响减少；反射片形状平滑且其附近的过渡区域尽可能的圆滑，使流体流动进入测量管段很光滑，有很好的导流作用，提高流动适应性；在测量管道长度不变的情况下尽量缩小管道直径，即增大长径比，有利于使测量管道内的流动迅速稳定发展完全；提高雷诺系数在一定范围内也能使流动发展迅速稳定。

通过实验研究和数值模拟，查阅工程流体力学的相关专业知识，对基表结构进行优化设计。设计了一款增加整流装置并改善结构的基表如图4所示。

（1） 在进水端口安装一个圆锥体结构，圆锥体的底面积正好覆盖住反正片的背面，对不同条件的来流进行分流，紧贴椎壁的流速为零，使椎体与管道壁面之间速度均匀流入，起到很好的整流作用。

（2） 采用立柱型的反射装置，反射片制作工艺尽可能光滑且其背面成圆弧状，避免棱角引起流动分离而产生的射流，反射柱能对两侧汇入的流体起导流作用，反射装置附近空间变大，流体流畅也可防止产生射流。

（3） 根据流体力学的相关知识可知圆柱绕流后的流动会紊乱，前面反射装置的后端增加导流构型“喇叭口”，流动发展平稳渡过，效果很好。

（4） 减小管道直径增大长径比，流体流动能发展完全迅速稳定，提高测量精度。

在其他条件一样的情况下，用Matlab软件做出基表优化前后热量表的偏差曲线，对比图如图5所示。

对比基表优化前后偏差的曲线可知，优化后的热量表在流量所有范围内发展平稳，减小了在低流量段的误差，提高了性能，从而达到了预期的效果。

3 实验数据测量与分析

3.1 功耗测量

本文设计的超声波热量表微处理器采用16位超低功耗的MSP430F4371 MCU，在其低功耗模式3（LPM3）的SFR（特殊功能寄存器）中，各模块允许确定各自功耗控制器工作状态的配置，外围模块通过使用者的程序定义其活动或停止。MSP430通过用户程序定义的中断来唤醒，接着单片机就会开始工作进入中断程序。热量表在实验室中温度采集为10秒/次（温度不会瞬变），流量采集为1秒/次（流量会瞬变），单片机的工作方式为间歇式，不工作时为睡眠状态。利用FLUKE 15B对热量表在不同状态下进行功耗测试，测量结果如表1所示。

3.2 温度的测量

根据中华人民共和国城镇建设行业标准CJ 128?2007的出厂规定，随机选取5块DN25的热量表，选用精密数字测温仪SPI1602A和恒温槽HWC?R?L进行温度测试。在55 ℃温度点下，将温度传感器放入恒温装置HWC?R?L中进行测量，记录所示温度与标准温度。利用电容充放电法间接测量温度，将标准电阻的系数（标准温度与温度传感器所示温度比值）写入标准电阻，来校正55 ℃温度点。测量的实验数据如图6所示。

3.3 流量的测量

根据行业标准CJ 128?2007，温度保持在55 ℃下，将选取的5块DN25热量表放在热量表检定装置RJZ15?25Z上，分别对5个不同的流量点进行流量测试。测量的实验数据如图7所示。

3.4 校正后的误差

根据热量表的额定流量[Qn，]测量校正后5块DN25热量表在检定装置RJZ15?25Z上5个流量点下各自的误差。实验数据如表2所示。

其中，误差计算公式为：

[E=（测量值-标准值）标准值×100%]

4 结 语

利用流体力学的相关知识结合工程实际经验进行优化设计，从而改善基表内的水流特性提高测量精度，本文设计了一款高精度、低功耗的超声波热量表。在实验测试中取得了较好的测量结果，符合行业标准2级表的要求。该设计系统的测量精度和稳定性都达到了预期的目标，具有广阔的市场前景。

参考文献

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