超聲波流量測量影響因素的研究

趙文明 邵仙鶴 王 玲 佟少強

(哈爾濱工業大學(威海)信息與電氣工程學院1，山東 威海 264209;威海嘉茂電子科技有限公司2，山東 威海 264209)

0 引言

流量計量作為計量科學的組成部分，與國民經濟、國防建設、科學研究有著密切的關系。高精度的流量計量對保證產品質量、提高生產效率、促進科學技術的發展均具有重要的作用。傳統的機械式流量測量儀表具有適應性較差、結構復雜、安裝維護不方便、需接觸式測量等缺陷。相比之下超聲波流量計則具有計量精度高、對管徑的適應性強、靈敏度好、使用方便、易于數字化管理等優勢［1］。正是由于超聲波流量計具有的諸多優勢，使得其成為了當今流量計量的主流。本文就影響超聲波測量精度的主要因素進行了分析。

1 時差法超聲波流量測量原理

基于超聲波測量流量原理的方法主要有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、流速-液面法等多種方法，這些方法各有特點，但在工業應用中以傳播速度法最為普遍［2－5］。其中，時差法測流量就是傳播速度法中的一種，利用超聲波在流體中順向和逆向傳播速度不同這一特點，通過計算超聲波順逆向傳播時間差求出流體的速度，再根據管路的截面積和累計時間，最終求出通過管路流體的流量。

超聲波流量計的核心器件為換能器，用來實現電信號和超聲波信號的轉換。考慮到超聲波在流體中傳輸的時間差大小對測量精度的影響，所以在實際設計中，換能器的安裝方式受管路粗細影響，一般分為同側和異側兩種安裝方式。

1.1 同側安裝

對于較細管徑的管路來說，一般選用同側U型安裝，換能器安裝到管路的同一側，在管路內部安裝兩個反射片，用于轉換超聲聲路。同時內部進行縮徑，這樣可以放大流體流速，獲取更大的時間差，提高測量精度。

通過計算，可得到流體流速的近似計算公式為:

式中:v為流體流度，m/s;c為超聲波在靜態流體中的傳播速度，m/s;Δt為超聲波在流體中順逆向傳播時間差，s;L為超聲波沿管路方向的傳輸距離，m。

1.2 異側安裝

由于同側安裝內部的反射面和縮流管會阻礙流體流動，所以對于管徑較粗的管路，如果聲程滿足測量要求，則采用異側安裝，即換能器安裝在管路兩側，并采用對射方式進行測量。同樣可以得到流體流速的近似計算公式為:

式中:D為管路管徑，m;θ為換能器安裝傾角。

在換能器安裝確定以后，式(1)中的超聲波沿流體流動距離L和式(2)中的管徑D以及換能器安裝傾角θ，可以認為是固定不變的，流體流速就是正逆向的傳播時間差Δt和超聲波傳播速度c的函數。傳播時間差Δt為測量值，取決于我們測量硬件的精確度;所以超聲波傳播速度c的精確度將直接影響流速v的精確度。

2 超聲波傳輸速度在流體中的影響

超聲波在流體中的傳播速度受流體介質和溫度兩個因素影響，但在實際應用中，介質一般固定。本文以純凈水為例，就溫度對超聲波傳輸速度的影響進行分析［2］。

一般而言，常溫下超聲波在水中的傳播速度約為1500 m/s［3］。然而超聲波在水中的傳輸速度并不是一成不變的，它隨溫度變化而變化。在純凈水中，超聲波傳輸速度隨溫度呈現非線性變化，其變化趨勢如圖1所示。

圖1 超聲波速度變化曲線Fig.1 Varying curve of ultrasonic velocity

由圖1可以看出，速度的最大值和最小值之間的差值達到150 m/s，0℃時的超聲波傳輸速度最低，為1407.71 m/s;74 ℃ 時達到最大值 1555.47 m/s，溫度再升高后速度反而呈下降趨勢;100℃時超聲波傳輸速度為1543.41 m/s［6］。當不考慮對超聲波傳輸速度進行溫度修正時，分別以0℃和74℃作為基準，傳播速度偏差將達到22%;如果以常溫下傳輸速度1450 m/s作為標準，將產生高達15%的偏差。對于精準的流量測量，這個偏差是不能接受的，所以在采用超聲波進行流量測量時，必須要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，從而消除超聲波傳播速度對流體流速測量的影響。

3 流體流動狀態的影響

按照式(1)和式(2)計算得到的流速v是流體在管路中的線流速，在計算流體流量的過程中，我們需要將獲取到的線流速轉換為流體在管路中的面流速。由于管路內流體流動狀態的不同，面流速并非簡單的線流速與管路截面積的乘積。我們往往通過將線流速乘以轉換系數 k(k為線流速和面流速修正系數)［6－9］，得到流體的面流速。在不能很好地完成線流速和面流速轉換的情況下，流量計量也將產生很大的誤差［4］。下面就流體流動狀態進行分析，找出影響流體流動狀態的因素。

3.1 流體流動狀態分析

體現流體流動特性的參數為雷諾數，雷諾數代表慣性力和黏性力之比，雷諾數不同，這兩種力的比值也不同，由此產生內部結構和運動性質完全不同的層流狀態和紊流狀態兩種流動狀態［7］。

雷諾數通過大量試驗測定得到，當雷諾數Re≤2320時，管中液體流動狀態為層流;當雷諾數Re＞13800時，流體狀態為湍流;當雷諾數2320＜Re≤13800時，流動為不穩定的過渡狀態［8］。而在不同的流動狀態下，流速的分布存在差異，從而在對測量值進行修正的過程中也存在差異。

3.1.1 層流狀態

在層流狀態下，不同點的流速計算公式為:

式中:ur為半徑r處的線流速，m/s;umax為中心點流速，m/s;R為管徑，m;r為計算點到中心點的距離，m。

3.1.2 紊流狀態

在紊流狀態下，不同點流速的計算公式為:

式中:ur為半徑r處的線流速，m/s;umax為中心點流速，m/s;R為管徑，m;r為計算點到中心點的距離，m;指數n與雷諾數Re有關，根據Re的不同，可能取1/6、1/7、1/10 等。

通過以上相關流體流動特性的介紹，我們得知，流體流動特性可以通過流體在管路中流動時雷諾數的大小來判斷。

在仿真過程中，通過分析流體在不同情況下的雷諾數的大小，分析相關因素對流體流動狀態的影響，從而根據相應的流動狀態，完成對流體流速計算的補償，提高測量的精確度。

3.2 流體流動特性的仿真

由于管道流體流速的分布規律極其復雜，人們對流體流速分布規律的研究僅限于理想管道流體流動，因此，不能很好地了解管路內流體的流體規律。FluidFlow是一款用于計算與分析管路系統中流體的流量、壓力、溫度、壓降以及相變狀態等功能的軟件，它也能夠實現多種不同性質流體的管網仿真［10］。

為此，本文選擇使用FluidFlow軟件進行仿真，來分析相關因素對流體流動特性的影響。

4 試驗數據分析

為了驗證以上仿真結論，分別就溫度對超聲波傳輸速度、流速對流動狀態以及溫度對流動狀態的影響在流量計檢定裝置上進行試驗。試驗選用DN20流量計，試驗數據曲線如圖2所示。

圖2 試驗數據曲線Fig.2 Experimental data curves

由圖3可以看出，在對相關影響因素的改變產生的影響進行系數修正后，可以有效消除計量誤差，從而保證流量計量的準確度。

5 結束語

本文分別就影響超聲波流量測量的因素進行了分析和仿真，試驗結果表明溫度對超聲波在流體中的傳輸速度有較大影響。當計算過程中不對超聲波傳輸速度隨溫度進行修正時，試驗數據將產生約5%的偏差;針對DN20的流量計，溫度和流體流速對流體流動狀態的影響將分別產生10%的偏差。理論分析與試驗證明，通過充分考慮相關因素對計量的影響，并進行相應的系數修正后，可以有效地保證流量計量的準確度［11］。

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