提高超声波气体流量计精度的整流装置研究*

汪宋良

(宁波城市职业技术学院 信息学院,浙江 宁波 315100)

提高超声波气体流量计精度的整流装置研究*

汪宋良

(宁波城市职业技术学院 信息学院,浙江 宁波 315100)

当均速管流量传感器安装在弯头下游时，由于流体流动为非充分发展湍流，增加了放大器流量检测的误差。为提高仪表检测精度，提出了在超声波气体流量计前端一定距离安装整流装置改善气态分布均匀性，减少超声波测量误差的方法。采用理论计算分析和实际试验相结合的方法，基于传统整流装置，设计了改进型整流装置结构。经实验验证，安装改进的装置后，超声波流量计的线性误差减少到0.2%内。

超声波技术；气体流量计；整流装置；流量测量；测量误差

0 引言

为满足气体流量计测量不断提高要求，超声波技术被应用于气体流量检测，它是继孔板、涡轮流量计之后出现的第三类高精度的新兴气体检测仪表。超声波气体流量计是通过超声波脉冲沿顺、逆流两个方向上声传播时间不同来测量气体的流速和流量的新技术。由于它对流体无阻力、无压力损失、受流体物理性质限制少以及使用简单等特点，备受业界关注，具有很大的前景。换能器装置及其关键技术、流场适应性问题、时间测量技术等都将影响超声波气体流量计测量精度。流场适应性问题又是相对容易解决的技术问题，它可以细分为管道走向、管壁粗糙度、阻流件及调整器等问题。

1 流程适应性研究

对超声波流量计流场适应性问题的研究主要分析管道走向、调节装置对流量检测带来的影响，达到最适宜于流量计安装及检测的条件。管道走向的变化会改变流场速度分布并使之产生扭曲，很多科研人员出于各种不同的目的都对这一现象进行过研究，相关的研究成果近年来己被成功应用于气体超声波流量计。1982年,ENAYET M M等人利用激光多普勒技术对单弯管流场进行了分析[1]。1991年，LAI Y G等人利用理论推导与流体动力学相结合的分析方法计算了弯管中的流体扰动问题，对流场分布给出了数值解[2]。1996年德国的科研人员HILGENSTOCK A和ERNST R将计算流体动力学与实验技术相印证，成功地分析了超声波流量计检测精度与弯管流场变形之间的关系[3]。1999年，LIM K V等人探讨了直角弯管中流场对电磁流量计检测精度的影响情况，他们的实验测量数据最远到达弯管后部22倍直径的距离[4]。2015年，吴春华[5]利用实验测量系统测试了电路延时完成补偿算法，对多个标定流量点进行了样机实流检测，验证了通过测量压力差对弯管二次流误差修正的流畅适应性仿真结果和补偿方法的有效性。2014年，郑丹丹等人基于实流实验与数值仿真相结合[6]，对单声道流量计的5种声道布置进行研究，表明声道布置对流场适应性有一定的影响。

综合国内外学者对超声波流量计复杂流场的研究成果，本文基于实流实验和数值仿真相结合方法，对流场整流装置进行系统研究，分别比较了多种不同的整流装置对流场影响，提出一种新型整流结构，最终实现整流效果，提高超声波流量计的流畅适应性。

2 新型整流装置

由雷诺(Reynolds)实验我们可以知道，流体在管道中流动时因为黏滞力的存在而产生两种流态：层流与湍流。考虑到管道内流速分布的不均匀，一般会在管道内加装整流器，使流体通过整流器后，流速分布状况得到显著改善。本设计主要针对超声波气体流量计管道内的整流器，提出了一种包括整流器的开孔大小、开孔个数、开孔位置等的设计方法。

根据普朗特流速分布经验公式(式(1))可知，在不同流体状态下，流速分布是不同的。

(1)

式中，Vr为流体距离轴芯线r处的沿轴线方向的面平均流速；Vm为流体在轴芯线上的流速值(为Vr的最大值)；R为管道的半径；n为流速分布指数，它与管道内的流体雷诺数Re有关，如公式(2)所示。

(2)

图1 湍流状态下，流速分布等效模型

根据普朗特流速分布经验公式可以建立在湍流状态下的流速分布等效模型，如图1所示。

假设流体处于湍流的临界状态，即Re=4 000，此时根据公式(2)可以计算得到流速分布指数n=5；以管道轴芯线为竖坐标，管道半径为横坐标，建立转换模型，如图2所示，竖坐标表示气体流速，横坐标表示距离轴芯线的距离。

图2 流速分布转换模型

首先确定整流器开孔位置及开孔个数，设计为由对称环形分布的32个钻孔组成，孔的尺寸是管道内径D的函数。(1)0.25D±0.002 5D节圆直径上，一圈4个孔；(2)0.50D±0.005 0D节圆直径上，一圈8个孔；(3)0.65D±0.006 5D节圆直径上，一圈4个孔；(4)0.75D±0.007 5D节圆直径上，一圈8个孔；(5)0.85D±0.008 5D节圆直径上，一圈8个孔。然后确定各节圆直径上开孔的直径，根据普朗特流速分布公式可以求得在各节圆直径上的流速V1、V2、V3、V4、V5，并求得位置与流速对应关系如图2所示。

加装整流器的目的是使经过整流后的流量分布均匀，即通过整流器后的体积流量是均匀的，假设流过节圆直径开孔的流速等于节圆直径上的流速，各节圆直径上开孔的总面积分别为A1、A2、A3、A4、A5，根据体积流量计算公式(3)，流过各节圆直径上开孔的体积流量相等。

Q=VA

(3)

式中：Q为体积流量，V为流体流速，A为过流横截面积。

根据普朗特流速分布公式代入，可以得到公式(4)。

(4)

由于整流器是安装在管道内的，因此开孔面积与管道横截面积A有关。假设开孔总面积为1/2A，根据公式(4)计算得到A3=0.1A。同理可以计算A1、A2、A4、A5与总面积A的关系。

根据各节圆直径上开孔个数以及圆的面积计算公式可以得到各节圆直径上开孔的孔直径分别表示为d1，d2，d3，d4，d5,分别等于0.147D，0.108D，0.158D，0.116D，0.122D。确定好各节圆直径上开孔数目以及开孔直径后，需要确定开孔在节圆直径上的开孔位置，根据机械结构的特性，开孔位置如图3所示。

图3 各节圆直径上的开孔位置图

3 实验结果

本实验测量模型如下：(1)测量管道模型直径D固定；(2)气体经过弯道形状固定，到达下游测试前直管道(整流装置安装在直管道的最前端)距离长短不同，分别为3D、5D、10D、20D、30D、40D；(3)测量区管段(安装超声波测量声道的管道长度)长度固定；(4)经过测量区后的气态出口缓冲区管道长度固定为20D。具体测试数据如表1所示。

以上实验数据说明：(1)比较上述6个距离处测量值可以看出，当测量表体安装在距离出口10D管径之后时，其流场分布区域平稳；(2)将其与无整流器的情况进行比

表1 不同直管道长度整流效果测量值

较，发现其流线延轴向的旋转速率变缓，而且速度较为均衡的区域变多；(3)通过自行设计的整流装置效果对比，发现整流装置对管道紊流气态有非常大的稳定作用，大大提升了仪表测量精度。

4 结论

本文通过理论计算实现了一种气体流量计的整流装置，实验数据表明该装置能有效提高气态平均分布，提高仪表测量精度。

[1] 温静馨,郝建秀,王淮中.新型超声波气体流量计[J].微型机与应用,2010,29(9):25-27.

[2] LAI Y G,SO R M C,ZHANG H S.Turbulence-driven secondary flows in a curved pipe[J].Theoretical and Computational Fluid Dynamics,1991,3(3):163-180.

[3] HILGENSTOCK A,ERNST R.Analysis of installation effects by means of computational fluid dynamics-CFD vs experiments?[J].Flow Measurement and Instrumentation,1996,7(3):161-171.

[4] LIM K W,CHUNG M K.Numerical investigation on the installation effects of electromagnetic flowmeter downstream of a 900elbow-laminar flow case[J].Flow Measurement and Instrumentation,1999(10):167-174.

[5] 胡春华.时差法超声波流量计的研制及流畅适应性研究[D].杭州:浙江理工大学,2015.

[6] 郑丹丹.单声道超声波流量计不同声道布置形式的流场适应性[J].天津大学学报,2014,47(8):703-710.

Research on rectifying device for improving accuracy of ultrasonic flow meter

Wang Songliang

(Information School,Ningbo City College of Vocational Technology,Ningbo 315100,China)

When the averaging pitot tube flow sensor is installed at the downstream of elbow,the flow regime is not fully-developed turbulence,which will increase the error of flow measurement.In order to improve the accuracy of flow measurement,a method to reduce the error by installing a flow conditioner at downstream of the elbow for reforming the symmetry of flow velocity profile was put forward.Based on the traditional flow conditioner,the improved flow conditioner was designed by the method of theoretical calculation and analysis combined with real flow experiment.Verified by the experiment,after installing the improved flow conditioner,the linearity error of the ultrasonic flow meter was reduced to 0.2%.

ultrasonic technique; gas flow meter; rectifying device; flow measurement; measurement error

校内科研项目(ZZX16054)

TH184

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.026

汪宋良.提高超声波气体流量计精度的整流装置研究[J].微型机与应用，2017,36(10)：92-93，95.

2016-11-19)

汪宋良(1982-)，通信作者，男，硕士研究生，讲师，主要研究方向：仪器仪表、超声波检查技术、无线低功耗、嵌入式系统应用。E-mail：electronnbu@163.com。