狭窄流道内气体流速的三声道超声测量

马 良，俞天阳，田 昌，侯怀书，苏明旭

(1. 上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093; 2. 上海应用技术大学机械工程学院，上海 201418)

0 引 言

管道和各类狭窄通道内的气体流速测量，在石油天然气工业、冶金工业、动力机械、环保和能源计量等多个领域均受到广泛关注[1-4]。天然气从采集、储运、处理、分配等过程中，均需要对气流速度进行严格的测量，保证其可靠性和精度以用于贸易结算；在冶金行业中，需借助燃气、烟道气[5]、煤气等气体速度测量实现对冶炼过程的监控；叶栅通道内的复杂流动对于燃汽轮机的效率、可靠性和长寿命也非常关键[6]，因此需要一种安全、可靠且无干扰的测量方法和技术满足各种流动的测量需求。基于超声时差法检测原理的气体流速测量是一种典型的非接触测量方法[7-8]，具有对流场无干扰、成本低、安全和对流体特性的适应性宽等优点。同时，因超声波还具有测量精度高[9-10]、方向性好[11]、在介质中传播能力强等特性[12]，有望结合成像技术实现对二维甚至三维流场的非接触可视化测量。国外对超声测速方面的研究起步早、技术相对成熟[13]，涉及气体流量测量[14]、两相流测量[15]以及超声波在流场中的信号处理[16]、去噪等方面的研究；国内学者针对自然环境、燃煤电站等大环境或管道中气体流速测量开展较多研究，但在狭窄空间内气体流速的超声实验研究还较为欠缺，本文采用多对超声波换能器形式对自行设计的狭窄通道气流流动进行实验研究。

1 实验原理和装置

1.1 实验原理

超声时差法测速原理如图1所示。气流呈水平流动，上游换能器T1发射声波在流场中传播并反射后由下游换能器T2接收，规定此方向为顺流。同理，T2发射声波逆流传播经反射后由T1接收为逆流。超声波在流动介质中的顺/逆流传播时间为：

图1 超声时差法原理示意图

式中：v——气体平均流速；

θ——超声波换能器发射方向与管内气流方向夹角；

L——声程；

c——超声波传播速度。

则顺/逆流时差为：

由于实验工况为低速流，超声传播速度远大于测量区平均气体流速，即式（2）中c2≫v2，则气体流速计算公式简化为：

1.2 空气耦合超声波换能器

根据研究需要，设计一种压电式空气耦合超声波换能器用于气体流速和速度场检测，换能器具有如下特性：1）结构简单激励效果好，因空气中超声衰减很快，应确保超声波发射信号较强；2）具有较好耐电压特性，与所设计380 V高压脉冲发射和接收模块相匹配；3）支持换能器小型化，直径可小至仅数毫米，换能器结构紧凑，晶片采用电极导电树脂和耐高温胶压接（异于传统焊接方式）。图2为设计的200 kHz换能器结构和实物图。

图2 空气耦合超声波换能器

1.3 多通道信号同步发射扫描和接收装置

数字式多通道信号同步发射扫描和接收装置硬件包含超声发射模块、扫描模块和接收模块并集成至工控机。超声发射模块可产生–380 V高压尖峰窄脉冲，并对高压激励和较强的初始信号限幅，防止对后级模块造成破坏；扫描模块包含八路信号选通和控制，用于选通超声波激励信号和接收通道，确保每次循环发射声波能够被其余通道接收，并经过接收模块信号放大并数字化后传至工控机。开发软件人机交互界面如图3所示，各通道增益、波形偏移量及采样频率可人为设置，扫描模式下确保500 ms内完成所有通道切换，接收波形和声时实时显示。

图3 人机交互界面

图4为实验装置示意图，使用了六通道测试系统（其余通道预留）。限于狭窄流道的尺寸和易受气流微小波动影响，采用反射式2×3的阵列装配方式增大声程并抵消涡流的影响，尽可能覆盖测量区从而获取更全面的流动信息。换能器阵列按其发射方向与管内气流方向呈60°夹角布置。实验时开启风机使气流在尺寸为60 mm×60 mm×250 mm的矩形断面流道里形成稳定流动，换能器阵列分别将顺、逆流数据传输到工控机，通过测量时差计算流速，并与流道内标准毕托管结果对比验证。

图4 实验装置示意图

2 实验与分析过程

2.1 流速标定

狭窄流道布置于风机出口处，为确认流道内的气流稳定流动，在20 m/s的设定风速下，用校正系数为1、准确度等级为1级和分辨率为1 Pa的标准毕托管在流道截面进行流速测量，9个测点布置如图4右上，A-I点流速依次为 20.08，20.04，20.16，20.13，20.23，20.10，20.08，20.08，20.15 m/s。以中心点（E点）为主流速度，各点流速均与其基本吻合，最大相对偏差约0.94%。

2.2 静态实验

理论上静态气体介质中超声波沿测量区上/下游双向传播时间相同，但由于换能器制作一致性、波形阈值取点、电路延迟等因素在实测中出现不相等的情况，因此在动态实验前须消除此类误差。表1列出静态实验上/下游超声传播时间差。采用狄克逊准则剔除掉第6次实验异常跳变数据，获得静态平均时差为0.62 μs，在动态实验数据中应补偿该时差从而消除误差。

表1 静态条件实验测得超声传播时间

2.3 动态实验

超声波换能器通道按1至6编号，其中1-2、3-4和5-6为流道左、中、右区域的对应检测通道，并将此方向设定为顺流，2-1、4-3、6-5为逆流方向。动态实验中，通过调节电机频率让气流速度从5 m/s逐工况升至30 m/s左右再降至5 m/s，按速度增为正行程，反之为逆行程。每个行程取10个工况，每一工况待流速稳定后进行测量。图5为流速10 m/s时波形图，为了提高精度并且便于对比分析顺/逆流的相对信号强度，对采集波形数据做了归一化处理。可以直观分辨每组相邻的顺/逆流波形，选取波峰幅值最大的一组所对应的幅值点计时，从而通过时差法原理计算出流速。

图5 10 m/s下超声波波形图

3 结果与讨论

图6为正/逆行程各工况下3-4通道和与其对应的毕托管E点测得主流速度结果。超声法测得的正/逆行程的速度变化趋势与标准毕托管非常吻合，各工况下流速最大相对误差分别为正行程4.15%、逆行程4.65%。由超声时差法原理可知时差和流速呈线性关系，为此，将二者做线性拟合以寻求最佳斜率估计值，图7为正/逆行程拟合曲线。

图6 正/逆行程流速测量结果

图7 正/逆行程流速-时差拟合曲线

将拟合获得的速度表达式的斜率（正行程：0.965、逆行程：0.973）代入下列公式即可计算修正系数。带修正系数的流速表达式为：

其中k为流速修正系数。

其中v1、v2分别为正、逆行程速度。

对比式(4)和式(5)斜率可得到：

其中k1、k2分别为正、逆行程修正系数。

从表2可知实验过程温度变化不大，通常当温度上升1 ℃声速约变化0.6 m/s，正、逆行程最高与最低温差分别为0.2 ℃和0.1 ℃，取温度平均处理引入声速误差至多0.06 m/s，可忽略不计。取正行程平均温度值14.25 ℃和逆行程平均温度值13.84 ℃带入式(6)计算分别得到正、逆行程的修正系数k1=1.027和k2=1.01。

表2 不同工况温度和与其对应的静态超声波传播速度

图8为选取三组通道在正、逆行程各6种工况下修正后流速结果。不同工况下三组通道间测得流速均较为接近，这符合之前标定实验的结论，说明流道内流速整体较一致；其中，各工况下3-4通道流速比其他两通道略大，这是因为3-4通道对应通道主流速度，其他两个通道更接近流道壁面；测量结果与标准毕托管测得流速对比也非常接近，正、逆行程相对误差最大值分别减至1.66%和1.85%。由于实验测得值反映超声传播路径上的平均流速，都小于标准毕托管所测中心点测量结果，这也与实际情况较为相符。

图8 修正后正/逆行程流速测量结果

4 结束语

本文研制了一种空气耦合超声波换能器和六通道信号同步发射扫描和接收装置，形成了一套完整的三声道多发多收超声测速系统。借助可调速风机，在自行设计的狭窄流道上采用反射式2×3的安装方式对5 m/s至30 m/s的工况进行测量。通过正/逆行程声时测量和流速计算，系数修正后测速结果较标准毕托管最大相对误差分别为1.66%和1.85%。该方法和测试系统有望进一步扩展至狭窄流道内二维速度场测量。