基于改善水流特性的超聲波熱量表設(shè)計

李世光+賈俊征+高正中+譚沖

摘 要： 針對基表內(nèi)水流分布是影響流量測量精度的關(guān)鍵問題，利用流體力學(xué)知識結(jié)合數(shù)值模擬分析，設(shè)計了一種基于改善水流特性的超聲波熱量表。通過對熱量表DN25型基表內(nèi)流場分析，在進水口中心線處安裝一個圓錐體整流裝置，采用圓滑立柱型的反射裝置，有利于分流從而防止射流的產(chǎn)生；在測量管道前端增加一個“喇叭口”的導(dǎo)流構(gòu)型和增大長徑比，有利于流動發(fā)展完全，提高測量精度。通過Matlab軟件仿真，對比基表優(yōu)化前后的偏差曲線圖證明所設(shè)計熱量表的穩(wěn)定性和精度都得到了提高，達到了預(yù)期的要求，具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞： 流體力學(xué)； 整流； 立柱型； 喇叭口； 長徑比

中圖分類號： TN02?34； TH702 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0124?05

Design of ultrasonic heat meter based on water flow characteristic improvement

LI Shiguang， JIA Junzheng， GAO Zhengzhong， TAN Chong， LI Kaixuan

（Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： Since the water flow distribution in base table is a key problem to affect on the flow measurement accuracy， the hydromechanics knowledge combined with the numerical simulation analysis is adopted to design an ultrasonic heat meter based on the water flow characteristic improvement. By analyzing the internal flow field of the DN25?type base table， a cone rectifier is installed on the center line of the water inlet and the reflection unit of smooth pillar type is adopted to facilitate the shunting and avoid the jet flow production. A ″flared″ diversion kerb configuration is added to the front end of the measuring channel and the length?diameter ratio is increased to benefit to the entire flow improvement and improve the total fluxion development. The deviation curve graphs before and after optimizing are compared by the simulation of Matlab software. The results prove that the stability and precision of the designed heat meter are improved， and the meter meets the expected requirements and has a broad market prospect.

Keywords： hydromechanics； rectification； pillar type； flared type； length?diameter ratio

0 引 言

我國北方采暖地區(qū)70%以上的民用建筑采用集中供熱方式采暖[1]，供熱計量改革后采用“分戶供暖，分戶計量”的采暖計費制度代替過去按平方面積收費不合理的制度。用于測量、計算和顯示熱交換系統(tǒng)所釋放或吸收熱量值儀表的熱量表，根據(jù)流量傳感器的測量原理分為機械式、超聲波式和電磁式。其中，超聲波熱量表由于對熱介質(zhì)要求較低、穩(wěn)定性好和精度高等特點，在分戶供暖計量的熱量表市場中越來越受歡迎。

目前超聲波熱量表發(fā)展快，應(yīng)用廣泛，它可應(yīng)用于含鐵銹等雜質(zhì)的熱交換系統(tǒng)中，符合供暖行業(yè)的現(xiàn)狀。通過數(shù)值模擬分析基表內(nèi)水流特性，對基表進行優(yōu)化設(shè)計，得到高精度、低功耗的超聲波熱量表。

1 超聲波熱量表的工作原理

1.1 熱量表的熱量計量數(shù)學(xué)模型

超聲波熱量表是在超聲波流量計的基礎(chǔ)上，在供、回水管道端口處加上溫度傳感器測量溫度，通過測出管道內(nèi)流體的流量和進、出水的溫差計算出用戶使用的熱量。其中流量測量部分利用一對配對的超聲波換能器相互交替（或同時）收發(fā)超聲波信號，通過德國ACAM公司的計時芯片TDC?GP22測量出超聲波信號在流體中順水流和逆水流的傳播時間差來測量管道中的流體流速，流體流量間接通過流速計算得出。流體經(jīng)過熱交換系統(tǒng)時根據(jù)時差法測量的流體流量、管道的進出水溫度和流體經(jīng)過的時間，通過MSP430 MCU的計算就得到供用戶實際使用的熱量[2]。

目前，國內(nèi)熱量表普遍采用熱焓值法，熱焓值的計算公式[3]為：

2 水流特性的分析

實際流體都是有粘性的，故又稱為粘性流體。流體流經(jīng)管道內(nèi)壁面時，緊貼管道內(nèi)壁面的流體質(zhì)點將粘附在壁面上，它們相對壁面的速度為零。粘附在管道壁面上的流體質(zhì)點受靜止壁面的影響，在管道壁面和流體的主流之間則有一個由零過渡到主流速度[v]的流速變化區(qū)域。對于流速不均勻的粘性流體，在流動的垂直方向上出現(xiàn)速度梯度[6]。

因此，粘性流體在不同流速下存在不同狀態(tài)，通常把雷諾數(shù)Re作為判別層流和湍流的準則，而且實際工程上一般取臨界雷諾數(shù)Re=2 000。如圖2所示，當Re≤2 000時，流動為層流，分布為旋轉(zhuǎn)拋物面；當Re>2 000時，流動是湍流，分布為對數(shù)分布。

2.1 基表內(nèi)流場的流動特性

利用RNGk?s模型通過FLUENT軟件對戶用超聲波熱量表DN25型基表進行數(shù)值模擬計算可知，流體流經(jīng)基表的流動分為三個不同的階段[7]。

第一階段：流入流體繞流前端的反射裝置后形成兩條射流夾死區(qū)，并且在其背后形成流動的一段“靜水區(qū)”。進水端口的入口形態(tài)影響兩條射流的強度和方向以及靜水區(qū)的面積大小和穩(wěn)定性。

第二階段：兩條射流匯合在管道前端時，流體中間比四周流速快，通過在管道內(nèi)不斷地交換能量后，速度逐漸發(fā)展均勻平穩(wěn)。湍流程度和長徑比影響著速度發(fā)展均勻的快慢。

第三階段：流體在管道內(nèi)流動發(fā)展后，流經(jīng)后端的反射裝置形成兩條射流從管道流出。其受出水口結(jié)構(gòu)的影響。

文獻[8]研究了管道過渡區(qū)的水流特性，分析了U型反射方式流量計過渡曲面?線平均速度關(guān)系的正確性，熱量表的修正系數(shù)[k]有了理論依據(jù)。文獻[9]通過LES數(shù)值模擬計算，對超聲波熱量表DN25型基表的反射柱大小、流體過流面積和反射路程等方面進行了研究，數(shù)值分析后得出了優(yōu)化現(xiàn)有基表的方案。文獻[10]研究了在湍流繼續(xù)發(fā)展下，根據(jù)射線追蹤算法將聲波信號速度和流體橫截面平均速度的不穩(wěn)定性應(yīng)用到分析算法中，同時研究了影響管道橫截面平均溫度和速度的因素。文獻[11]研究了帶控制片方柱在高雷諾數(shù)下非定常態(tài)的繞流問題，加裝整流片抑制或形成的渦會影響柱體側(cè)面的分離，使方柱阻力系數(shù)減小。

目前，對超聲波熱量表的研究與設(shè)計主要集中在基表結(jié)構(gòu)，還有在定常狀態(tài)下的水流特性的研究，很多重要因素影響著熱量表測量的精度[12]，比如基表內(nèi)的水流特性。根據(jù)影響因素對基表進行改進，才能更好地提高測量精度。

經(jīng)過數(shù)值模擬分析，在低流量段適應(yīng)性最大偏差為4.8%，且整個流量范圍的適應(yīng)性還是很好的，測量誤差波動范圍較小。實際工程中超聲波熱量表的常用流量范圍為低流量段（0.05～0.5 m3/h），此流量區(qū)間的精度是熱量表性能重要的衡量指標。流體流速在測量管道內(nèi)的分布是影響熱量表性能好壞的關(guān)鍵因素，很有必要分析流動發(fā)展規(guī)律。在基表前端直管段與前端閥門后中心線的速度分布如圖3所示。

a區(qū)為第一階段，前端有閥門的中心線速度略高，雷諾系數(shù)、反射片以及基表結(jié)構(gòu)影響著該處的速度分布，圓滑的反射片區(qū)域能提高對于不同入口的熱量表的適應(yīng)性。

b區(qū)為第二階段，進入測管后流體速度迅速發(fā)展穩(wěn)定，有較好的適應(yīng)性，前端直管段與前端閥處的速度分布偏差較大，該處使熱量表性能受到的影響最大。

c區(qū)為第三階段，是出水端反射片附近的速度分布，該階段主要受第一、二階段的影響，故可忽略。

在測量管道的前端閥門以及前端直管段處，流體流動很快發(fā)展穩(wěn)定，其速度曲線分布對稱性較好，表明基表具有很強的適應(yīng)能力。

2.2 基表的優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)基表內(nèi)流場特性分析可知，反射片表面死區(qū)和測量管道內(nèi)區(qū)域是影響中心線速度分布的主要因素。其中雷諾系數(shù)、反射片和基表結(jié)構(gòu)對反射片死區(qū)情況作用最大，而雷諾系數(shù)、入口形狀和長徑比影響著測量管道的速度分布。

研究基表內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)表明，進出水端口平滑可以抑制由于尖銳端口造成管道內(nèi)流體流動的分離而形成的兩條射流，使靜水區(qū)影響減少；反射片形狀平滑且其附近的過渡區(qū)域盡可能的圓滑，使流體流動進入測量管段很光滑，有很好的導(dǎo)流作用，提高流動適應(yīng)性；在測量管道長度不變的情況下盡量縮小管道直徑，即增大長徑比，有利于使測量管道內(nèi)的流動迅速穩(wěn)定發(fā)展完全；提高雷諾系數(shù)在一定范圍內(nèi)也能使流動發(fā)展迅速穩(wěn)定。

通過實驗研究和數(shù)值模擬，查閱工程流體力學(xué)的相關(guān)專業(yè)知識，對基表結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計了一款增加整流裝置并改善結(jié)構(gòu)的基表如圖4所示。

（1） 在進水端口安裝一個圓錐體結(jié)構(gòu)，圓錐體的底面積正好覆蓋住反正片的背面，對不同條件的來流進行分流，緊貼椎壁的流速為零，使椎體與管道壁面之間速度均勻流入，起到很好的整流作用。

（2） 采用立柱型的反射裝置，反射片制作工藝盡可能光滑且其背面成圓弧狀，避免棱角引起流動分離而產(chǎn)生的射流，反射柱能對兩側(cè)匯入的流體起導(dǎo)流作用，反射裝置附近空間變大，流體流暢也可防止產(chǎn)生射流。

（3） 根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)知識可知圓柱繞流后的流動會紊亂，前面反射裝置的后端增加導(dǎo)流構(gòu)型“喇叭口”，流動發(fā)展平穩(wěn)渡過，效果很好。

（4） 減小管道直徑增大長徑比，流體流動能發(fā)展完全迅速穩(wěn)定，提高測量精度。

在其他條件一樣的情況下，用Matlab軟件做出基表優(yōu)化前后熱量表的偏差曲線，對比圖如圖5所示。

對比基表優(yōu)化前后偏差的曲線可知，優(yōu)化后的熱量表在流量所有范圍內(nèi)發(fā)展平穩(wěn)，減小了在低流量段的誤差，提高了性能，從而達到了預(yù)期的效果。

3 實驗數(shù)據(jù)測量與分析

3.1 功耗測量

本文設(shè)計的超聲波熱量表微處理器采用16位超低功耗的MSP430F4371 MCU，在其低功耗模式3（LPM3）的SFR（特殊功能寄存器）中，各模塊允許確定各自功耗控制器工作狀態(tài)的配置，外圍模塊通過使用者的程序定義其活動或停止。MSP430通過用戶程序定義的中斷來喚醒，接著單片機就會開始工作進入中斷程序。熱量表在實驗室中溫度采集為10秒/次（溫度不會瞬變），流量采集為1秒/次（流量會瞬變），單片機的工作方式為間歇式，不工作時為睡眠狀態(tài)。利用FLUKE 15B對熱量表在不同狀態(tài)下進行功耗測試，測量結(jié)果如表1所示。

3.2 溫度的測量

根據(jù)中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標準CJ 128?2007的出廠規(guī)定，隨機選取5塊DN25的熱量表，選用精密數(shù)字測溫儀SPI1602A和恒溫槽HWC?R?L進行溫度測試。在55 ℃溫度點下，將溫度傳感器放入恒溫裝置HWC?R?L中進行測量，記錄所示溫度與標準溫度。利用電容充放電法間接測量溫度，將標準電阻的系數(shù)（標準溫度與溫度傳感器所示溫度比值）寫入標準電阻，來校正55 ℃溫度點。測量的實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

3.3 流量的測量

根據(jù)行業(yè)標準CJ 128?2007，溫度保持在55 ℃下，將選取的5塊DN25熱量表放在熱量表檢定裝置RJZ15?25Z上，分別對5個不同的流量點進行流量測試。測量的實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

3.4 校正后的誤差

根據(jù)熱量表的額定流量[Qn，]測量校正后5塊DN25熱量表在檢定裝置RJZ15?25Z上5個流量點下各自的誤差。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

其中，誤差計算公式為：

[E=（測量值-標準值）標準值×100%]

4 結(jié) 語

利用流體力學(xué)的相關(guān)知識結(jié)合工程實際經(jīng)驗進行優(yōu)化設(shè)計，從而改善基表內(nèi)的水流特性提高測量精度，本文設(shè)計了一款高精度、低功耗的超聲波熱量表。在實驗測試中取得了較好的測量結(jié)果，符合行業(yè)標準2級表的要求。該設(shè)計系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性都達到了預(yù)期的目標，具有廣闊的市場前景。

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