結構參數對時差法超聲波流量計性能的影響研究

鄺衛華，黃家強，潘旭楓，陳彪彪

(1.廣州番禺職業技術學院機械與電子系，廣東廣州511483;2.廣東工業大學材料與能源學院，廣東廣州510006)

超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲波束(或超聲波脈沖)的作用以測量流量的儀表［1］，具有非接觸測量、測量范圍寬、安裝簡便、使用方便、特別適合大管徑及危險性流體流量測量等優點，被廣泛應用于供水、石油、化工、電力等部門。近幾年來，隨著硬件和數字信號處理技術的改進，使流量的測量精度有了很大提高［2－3］。

時差法超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統三部分組成［4］。圖1為測量原理圖，兩側超聲波換能器相繼完成超聲波的發射和接收工作。超聲波換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發射到被測流體中;接收器接收到的超聲波信號，經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算，從而實現流量的檢測和顯示。

圖1 超聲波流量計測量原理圖

1 超聲波流量計水流特性分析

超聲波發射與接收的精度跟流體流動狀態有關，為了深入研究流量計管道內流場的分布規律，擬采用Fluent軟件對測量管道進行三維水流特性分析。流量計三維模型采用UG軟件構建，然后將模型內表面導入Gambit軟件進行網格劃分，最后借助Fluent軟件實現流體流動的數值模擬。

Fluent軟件模擬邊界條件類型取Velocity-inlet方式，其流量Velocity Magnitude取1.5 m/s，出口Outlet為自由出流，區域Wall取默認邊界。

圖2為流量計管道內部流線圖。為了準確描述各部分流場的分布規律，將流量計分成5個區域，如圖2所示。

圖2 y=0截面管道內部流線圖

圖中區域①為流體入口斜管段，該區流速分布均勻，速度梯度變化小，說明該段液體流動平穩;且該段不在超聲波測量路徑上，因此該段的流體流動狀態對超聲波發射和接收不會產生直接影響;但該段中心線與水平管道中心線的夾角θ對水平管道的流場有較大影響，不同的角度將直接影響超聲波發射和接收的測量精度。

圖中區域②為左側換能器的前段管段，由圖2可以看出:該區產生了漩渦，并且漩渦正好位于超聲波傳輸路徑上，對超聲波的發射和接收產生較大影響，進而影響測量精度。漩渦的范圍越大、速度越快，對測量結果影響越顯著。產生漩渦的原因在于區域②三面都是固壁，受黏性影響流速為零;另一面受入口流體的沖擊帶動而產生環向分流，最終形成漩渦。由上述分析可知，區域②的漩渦是無法消除的，但可以通過優化區域②長度來減少漩渦的范圍和強度。

區域③位于水平直流管段，該段水平截面以上部分流速較小，速度等值線分布較密;水平截面以下部分流速較大，流速變化梯度相對較小。這說明流體主要沿管道中下部穿過，上部流速小。

區域④位于右側換能器附近，該區流動狀況與區域②相似，不同在于兩區漩渦的流動方向、強度存在差異。漩渦范圍、流速大小對超聲波信號的接收與發射有較大影響。

區域⑤位于流體出口斜管段，該區流場分布平穩，速度梯度變化小，說明該段液體流動平穩;且該段不在超聲波測量路徑上，因此該段的流體流動狀態對超聲波發射和接收不會產生直接影響;但夾角θ的變化，會引起區域③、區域④流場有較大改變，因此該結構參數對測量有較大的影響。

2 結構參數對水流特性的影響

由上述研究可以看出，此類結構流量計在超聲波傳輸路徑上不可避免會出現漩渦及二次流，漩渦的范圍、強度是影響超聲波流量計測量精度的一個關鍵性因素。若管道內的漩渦數量越多，范圍越大，速度越快，則測量的精確度就越低;此外，管道內流體速度梯度分布也是影響測量精度的一個重要因素，管道內流體的速度梯度分布越集中，說明流體流動越平穩，超聲波所搭載的流體流速信息也就越準確。

為了分析不同結構參數對管道水流特性的影響規律，采用表1所示參數對流量計進行了多次數值模擬。Fluent軟件模擬邊界條件類型取Velocity-inlet方式，其流量Velocity Magnitude取1.5 m/s，出口Outlet為自由出流，區域Wall取默認邊界。

表1 模擬參數

2.1 流體流入角θ

圖3為不同角度θ作用下管道內部流速等值線圖。可以看出，換能器附近漩渦區 (區域②、區域④，參見圖2所示區域劃分)流速隨著流入角的增大而呈增大的趨勢。這是因為隨著流入角的增大，流體在流速方向上投影越大，產生的動能越大，從而帶動漩渦區流體以更快的速度旋轉。換能器附近渦流范圍越廣，流速越大，越不利于測量精度的提高，因此在結構合理的情況下，選擇較小的流體流入角是有利于測量的。

圖3 不同流入角作用下管道內部流場等值線分布

由圖3還可以看出:隨著流入角度的增大，水平直流區 (區域③)流體等值線分布變得更為密集，說明該區段流速的速度梯度變化大，流體流動不穩定，這是不利于測量的。而且隨著流入角度的增大，水平直流區 (區域③)的流體會以管道中心線所在水平截面為界出現兩個明顯不相同的流動區域 (如圖3(d)所示)，嚴重降低超聲波流量計的測量精度。因此，在結構合理的情況下，應選擇較小的流入角度。

2.2 管道長度L與L1

圖4為不同管道長度L1作用下管道內部流速等值線分布圖，它從側面反映了L1與L的比例對流場的影響規律。

圖4 不同管道長度作用下管道內部流場等值線分布

可以看出:隨著L1的增大，漩渦范圍 (區域②、區域④)明顯減少，這對提高超聲波發射和接收的精度是非常有利的;此外，隨著L1的增大，水平段區域③的速度等值線分布越顯均勻，說明流場更為穩定，這對提高超聲波測量精度是有利的。因此，在結構合理的情況下，應適當增大L1，增大L1/L的比值，從而增大超聲波傳輸測量的距離。

2.3 管道直徑D

圖5為不同管道直徑作用下管道內部流場速度等值線分布圖。

圖5 不同管徑作用下管道內部流場等值線分布

可以看出:隨著管徑的增大，水平段流場分布更為均勻;此外，隨著直徑的增大，換能器附近的漩渦范圍 (區域②、區域④)也明顯縮小，說明超聲波的發射和接收將更為精確，這些都有利于測量精度的提高。因此，適當增大流量計管徑有利于提高測量精度，但管徑的增大需綜合考慮D與管道長度L及L1的相對比例，以達到最優的內部流場分布形態。

3 結論

采用數值模擬的方法，研究了不同結構參數對超聲波流量計過流通道水流特性的影響規律，可以得出如下結論:

(1)換能器附近有漩渦，且漩渦正好位于超聲波傳輸路徑上，對超聲波的發射和接收有較大影響;水平管道流場分布不均，下部流速大，且速度梯度小;夾角θ對管道內部流場影響明顯。

(2)較小的流入角度θ，有利于改善換能器附近漩渦的范圍及強度，改善水平管道內部的流場分布;適當增大L1/L的比值，可有效增大超聲波傳輸測量距離，提高測量精度;適當增大管徑D有利于改善管道內部流場，但需綜合考慮D與管道長度L及L1的相對比例，以達到最優的內部流場。

【1】吳志敏，蘇滿紅，葉瑋淵，等．時差法超聲波流量計流速修正系數的數值模擬［J］．工業計量，2008，18(4):1－4．

【2】丁鳳林，李宗良，魏延明，等．小管徑高精度超聲波流量計設計［J］．空間控制技術與應用，2011，37(1):28－32．

【3】劉永輝，杜廣生，陶莉莉，等．反射裝置對超聲波流量計水流特性影響的研究［J］．儀器儀表學報，2011，32(5):1183－1188．

【4】閻明．高精度微功耗時差法超聲波流量計的設計［D］．大連:大連理工大學，2007:1－5．

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【6】姜萬錄，孫紅梅，高明．基于超聲檢測的動態流量測試技術研究［J］．機床與液壓，2004(10):227－229．

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【8】王潔，陳先惠．瞬態流量計的研究［J］．機床與液壓，2004(1):124－125．

【9】傅麗瑩，王偉．十字星形高壓動態流量計特性分析［J］．機床與液壓，2008，36(8):119 －120．