弯头对便携式超声波流量计测量精度的影响

金 炜，杨思雨，臧 杰，陈强强

（石家庄华电供热集团有限公司，石家庄 050000）

我国是世界最大的碳排放国，占世界能源碳排放总量比重的28.8%， 对全球碳达峰与碳中和具有至关重要的作用，精准计量是实现碳达峰与碳中和目标的有力推手之一。 但受安装空间、成本以及工艺流程等条件限制，现场流量测量仪表上游多弯头或组合式弯头等阻流件，前后直管段长度无法满足安装要求，测量精度得不到保障。 目前，在便携式超声波流量计安装条件满足要求的情况下，利用便携式超声波流量计对非标准安装的流量测量仪表进行在线校准成为首选方案[1-4]，并且已有大量报道。在现场校准过程中，便携式超声波流量计也会遇见安装条件不能满足要求情况，在这种情况下如何对现场仪表测量精度进行修正成为亟待解决的问题之一。

针对上述问题，本文将利用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）技术数值模拟与实流实验相结合的方法研究多种组合式弯头对便携式超声波流量计测量精度的影响程度，该研究成果对提高便携式超声波流量计在非标准安装条件下的在线校准能力具有重要意义。

1 便携式超声波流量计的工作原理

便携式超声波流量计的测量原理如图1 所示，超声波在流体中传播时就会承载流体的流速信息，因此，通过接收到穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。 检测方法中应用最为普遍的是速度差法，其基本原理是利用测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来反应流体的流速。

图1 超声波流量计测量原理Fig.1 Measurement principle of ultrasonic flowmeter

对于V 形声程，流速和流量计算公式别为[5]

式中：θ2为超声波在流体中的折射角；t2为超声波逆流传播时间；t1为超声波顺流传播时间。

2 实验方案

由超声波流量计工作原理可知，声波传播路径上的漩涡、速度分布等流动参数是影响超声波流量计测量精度的关键因素[6-7]。 弯头组合方式直接影响下游流动状态，从而影响便携式超声波流量计测量性能。 本研究以DN100 管径为研究对象，依据现场调研结果，实验方案如表1 所示，组合弯头形式如图2 所示。 此基础上，利用实验装置搭建实验管道对数值模拟结果进行验证，如图3 所示，并研究不同形式弯头对便携式超声波流量计测量精度的影响。 本研究依次将换能器安装于图4 所示的安装角度，通过实验验证安装角度对测量性能的影响规律。换能器采用V 法形式安装。

表1 实验方案设计Tab.1 Experimental scheme design

图2 弯头组合形式Fig.2 Elbow combination

图3 实验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental device

图4 换能器安装角度示意Fig.4 Installation angle of transducer

3 实验结果

3.1 评价指标

本研究采用相对误差和测量重复性两个指标对实验结果进行评价，表达式如式（3）和式（4）所示：

式中：Eij为第i 流量点第j 次测量的相对误差；qij为被检表第i 流量点第j 次测量时流量值；（qs）ij为标准表第i 流量点第j 次测量的流量值。

式中：Eri为第i 流量点的相等误差重复性；Ei为第i个流量点的平均相对误差；Er为被测仪表在整个量程范围内的重复性。

3.2 实验结果分析

由于流体的转弯，流体经过弯头时出现了从曲率中心向管道外壁的离心力，这使得流体从管道的直管段过渡到弯曲管段时，外侧壁面压力增大而内侧壁面压力降低。 因此，靠近外壁面处速度减小，内壁面处速度相应的增大，在外壁面附近出现扩散效应，在内壁面附近出现收缩效应。 流体从弯管过渡到直管段时，产生相反的想象。 扩散效应使得流体脱离壁面，同时在弯曲管段内流体由于惯性而流向外壁面的运动更加剧了从内壁面分离，并产生分离涡[6-8]。 速度分布形式、旋涡结构与尺度均与弯头形式相关，因此不同的弯头形式对便携式超声波流量计的测量性能影响不同。 速度分布是影响测量误差的关键因素，旋涡结构、尺度以及强度是影响测量重复性的关键因素。

为了便于分析不同形式弯头对便携式超声流量计测量误差的影响规律，本研究利用式（7）对测量误差进行表述：

换能器安装角度为c（见图4），不同弯头形式下，便携式超声波流量计测量误差E 随测量位置的变化曲线，如图5 所示。 可以看出，采用V 声道测量的便携式超声波流量计测量结果均为负偏，且随着测量位置的增加，流场逐渐恢复，测量误差逐渐减小；当双弯头间距L＜15D、测量位置在0～5D 范围内时，在不同弯头下游，便携式超声流量计在相同测量位置处测量误差的差异性较大，其中单弯头下游的测量误差最大。 造成这一结果的主要原因是单弯头对流经介质的速度分布影响最为严重， 而在双弯头中， 下游弯头对速度分布具有一定的调整作用，调整效果两个弯头的角度相关；测量位置在5～10D 范围内时，弯头下游流场明显恢复，在不同弯头下游，便携式超声流量计相同测量位置处测量误差的差异性明显减小；当双弯头间距L≥15D 时，测量位置在0～10D 范围内，不同形式的双弯头对下游相同位置处测量误差的影响效果与单弯头一致， 即间距L≥15D 的双弯头等效与单弯头。

图5 测量误差E 随测量位置的变化曲线Fig.5 Variation curve of measurement error E with measurement position

不同弯头形式下，便携式超声波流量计测量误差重复性Er随测量位置的变化曲线，如图6 所示，可以看出，测量位置在5～10D 范围内，测量误差重复性Er≤0.33%，符合1 级表测量精度要求，且不受弯头形式影响。 不同弯头形式下，安装角度引入测量误差偏移量ε 分布规律，如图7 所示。 误差偏移量ε 表示相同测量位置处，不同换能器安装角度与基准安装角度c 之间的误差偏移量，定义如式（8）所示：

图6 测量误差重复性Er 随测量位置的变化曲线Fig.6 Variation curve of measurement error repeatability Er with measurement position

图7 安装角度引入测量误差偏移量ε 分布规律Fig.7 Installation angle introduces measurement error offset ε distribution law

式中：j 表示换能器安装角度a，a′，b，b′。

从图7 中可以看出，测量位置在5～10D 范围内，安装角度在b-b′范围内，误差偏移量ε 分布范围在±1%以内，不受弯头形式影响。

4 结语

通过实验研究管径为DN100 的U 型双弯头、S型双弯头、异面双弯头、单弯头对便携式超声波流量计测量性能的影响，得出如下结论：采用V 声道测量的便携式超声波流量计测量结果均为负偏，误差随测量位置的增加而减小； 测量位置在0～5D 范围内，弯头形式对便携式超声流量计在相同测量位置处测量误差影响显著，单弯头下游的测量误差最大；间距L≥15D 的双弯头等效与单弯头；测量位置在5D～10D 范围内， 测量误差重复性均满足1 级表要求；换能器安装角度在±10°范围内变化时，误差偏移量均在±1%以内。