G2.5超聲波燃氣表的仿真與實驗研究

王舒文，李中陽，金文勝，陳維廳，徐曉丹，趙偉國

(1. 中國計量大學，浙江杭州 310018；2. 浙江蒼南儀表集團股份有限公司，浙江溫州 325800)

0 引 言

燃氣作為國家重要的綠色能源，是國家和城市基礎設施的重要組成部分。燃氣表是計量燃氣流量的重要工具，是衡量整體用氣量的重要儀器，在整個燃氣供應產業鏈中擁有無可替代的地位。目前市場上的主流燃氣表為傳統的膜式燃氣表，該測量原理為容積式流量測量方法，存在具有可動部件、壓損大、生產裝配復雜、人力成本較大等缺點。超聲波流量測量方法與傳統容積式流量測量方法相比，具有準確度高、重復性好、無可動部件、壓損小等優點，已經廣泛應用于一些高壓、大流量計量領域[1-3]。

在家用燃氣測量領域中我國起步較晚，2015年制定發布了《超聲波燃氣表》(CJ/T 477——2015)，2016年啟動編制國家標準[4]。在國外，超聲波燃氣表已經普遍使用在德國、意大利、日本。在超聲波傳感器安裝、聲道設計方面，多聲道組合可以提高流場適應性，不同換能器位置會影響流場，不同流速剖面偏差不同[5]；對于時差法超聲流量測量電路及信號處理方法已進行深入研究[6]。信號處理方面最新的研究方法有動態閾值調整法[7]、相關法[8]等。但是由于燃氣壓力小、流量變化大、流速低，現有的信號處理較難解決小流量測量，導致的超聲波測量精度低的問題。

針對以上問題，本文從流道仿真入手，設計了兩種不同的超聲燃氣基表，并對兩種模型進行數值仿真計算，以解決超聲波在燃氣流量測量中的小流量問題。通過仿真提取管道內超聲波傳播路徑的數據，建立基于此區域規則分布的離散點的集合，通過對所有離散點的速度進行相關計算得出結果，從而反映整體區域流場速度的大小和分布的均勻性，得出更為合理的模型。最后通過流量實驗，驗證數值仿真計算的結果。

1 時差法測量原理

時差法是一種基于聲學技術的測量方法。當介質流動與超聲波傳播同向時，超聲波傳播速度隨介質流動速度的增加而增加；當介質流動與超聲波傳播逆向時，超聲波傳播速度隨介質流動速度的增加而減小。進而可以根據超聲波順流和逆流傳播時間求取時間差，從而獲得流體的流速信息，測量模型如圖1所示。

圖1 超聲波流速測量模型Fig.1 The ultrasonic flow speed measurement model

如圖1中所示，順、逆流的傳播時間TAB、TBA分別為：

其中：C為介質靜止時的聲速，θ為聲道角，v為流速，L為超聲波傳播距離。則時差ΔT為

常溫常壓下，空氣的聲速C為340 m·s-1，存在C?vc osθ，則式(3)可寫為

因此可求得流速v為

則可以求得體積流量q的公式為：

其中：A為管道的橫截面積。

2 模型設計與仿真計算

2.1 管道模型設計

本文采用一種在空腔中放置超聲波測量流道的結構，設計了扁平管路增加分流片的測量流道，根據放置方式的不同，設計了兩種管道后徑角度不同的固定裝置(模型1為90°，模型2為180°)，如圖2、圖3所示。

圖2 管道模型1剖面圖Fig.2 Sectional drawing of the pipeline model 1

圖3 管道模型2剖面圖Fig.3 Sectional drawing of the pipeline model 2

傳統的圓形管道內，超聲波流場與測量性能的影響關系已經被廣泛分析研究，得出了很多經典的理論[9-10]，但是對于非圓形管道內氣體流場的分析卻并不多見。同時，已有研究者提出了采用方形的測量管路[11]。在擁有相同直徑的情況下，方形管道的面積要遠小于圓形管道。當體積流量q一致時，管道截面積A越小，流體流速v越大，即流速的分辨率越大。同理，在流體速度v越大的情況下，得到的順逆流時差ΔT也越大，即時差的分辨率越大。時差的分辨率越大，測量的精度就越高。所以，本文在確定外部腔體結構尺寸和換能器尺寸的情況下，采用并設計了方形管道，管道剖面圖如圖4所示，具體尺寸如圖5所示。

圖4 方形管道剖面圖Fig.4 Sectional drawing of a square pipeline

圖5 超聲波測量流道尺寸圖Fig.5 Dimensional drawing of ultrasonic measuring-pipeline

此外，在測量流道中加裝一定數量的整流板，作用一：整流板一定程度上可以抑制流場中的擾流情況；作用二：流道的橫向管徑相對減少，在相同流量的情況下，流經流道中的氣體流速更快，得到的時差更大，則得到的流量點的精度更高[12]。但是，整流板數量越多，會阻礙超聲波在路徑上的傳播。本文在前期準備中，對同一基表在加裝不同數量整流板的情況下，比對接收回波信號的強度(信號峰峰值)、零點信噪比、管道壓損等指標進行測試，比較結果如表1所示。由表1中可以看出，當整流板的數量從2變化到4時，零點信噪比接近一致。但是，在整流器數量從3變化到4時，管路壓損繼續增大，回波峰峰值下降明顯?？紤]盡量增加整流板數量的情況，選擇整流板數量為3時，信號的信噪比變化不大，回波峰峰值與整流板數量為2時接近，而且壓損與燃氣表檢定規程要求的壓損上限(200 Pa)有一定的余度，因此選擇整流板的數量為3。

表1 不同數量整流板指標比較Table 1 Experimental data for different numbers of rectifier boards

通過SOLIDWORKS軟件對兩種模型進行建模，然后導入ICEM CFD軟件繪制網格。在做過網格數量無關性實驗之后，最終兩種模型的網格數在4×105～5×105之間。

2.2 初始條件確定

本文采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法分析兩種管道模型在不同流量點下的流場速度分布[13]，利用Fluent軟件進行相關仿真。

本文設計的超聲燃氣表為G2.5型，根據超聲波燃氣表檢定規程[14]，其最小檢測流量點qmin為0.025 m3·h-1，分界流量點qt為0.4 m3·h-1，最大流量點qmax為4 m3·h-1。因此，本文選取此三個流量點來進行仿真。

依據本文管道尺寸計算，管道中的流速最大不超過20 m·s-1，則其馬赫數小于0.06，將氣體流動視為恒定、不可壓縮流體的流動。依據雷諾數計算公式，三個流量點在基表的入口速度分別為：0.011 2、0.18、1.80 m·s-1，其雷諾數分別為21、345、3450。因此在流量點qmin、qt，管道內流體狀態表現為層流；在流量點qmax，流體狀態表現為湍流。

為簡化模型，假定氣體為不可壓縮流體，氣體在管道內做定常運動。穩定的工況下，認為整個流動過程是等溫過程?？諝鉃轲ば粤黧w，黏性系數為1.789 4×10-5kg·s·m-1，密度為1.225 kg·m-3。環境溫度設置為 20℃，進氣口設置為速度入口(velocity-inlet)，出氣口設置為壓力出口(pressure-outlet)，壓力設置為0。設置qmin和qt的求解模型為Laminar層流模型，qmax的求解模型為k-epsilon湍流模型。

2.3 結果分析

本文關注的重點流場區域是超聲測量管道部分，因此提取速度云圖中超聲測量管道區域，同時超聲測量管道內3塊整流板將其分隔為Z1、Z2、Z3、Z4四部分。圖6分別顯示qmin流量點時對應的兩個模型各四部分區域的截面速度云圖；圖7分別顯示了qt流量點對應的兩個模型各四部分區域的截面速度云圖；圖8分別顯示了qmax流量點對應的兩個模型各四部分區域的截面速度云圖。

圖6 超聲測量管道區流量為qmin的截面的速度云圖Fig.6 Velocity nephogram at the section of the flow of qmin in the ultrasonic-measuring pipeline

圖7 超聲測量管道區域流量為qt的截面的速度云圖Fi g.7Velocity nephogramatthesectionofthe flowof qt in the ultrasonic-measuringpipeline

圖8 超聲測量管道區流量為qmax的截面的速度云圖Fig.8 Velocity nephogram at the section of the flow of qmax in the ultrasonic-measuring pipeline

從速度云圖中可以看出，中間兩層的流場速度分布更集中、更劇烈。同時，在qmax流量點，模型1流場更集中在測量管道入口，而模型2更集中在測量管道內部。

為了進一步準確得到超聲換能器傳播區域的速度分布情況，將超聲波換能器的傳播測量區域進行提取，將提取的超聲換能器傳播區域進行劃分，以超聲波傳播區域離散點的速度值為集合求取相對均方根，以便能夠通過離散特征點的數據集合來反映整體超聲波傳播區域的速度分布特性。如圖9所示為超聲波換能器在管道內的測量區域，圓形傳播測量區域被整流板分成四部分，取每部分流域的中間面為Z面，分別為Z1、Z2、Z3、Z4；將Z面均分為11份，取中間10個等分點，分別為X1、X2、....、X10；取Z面與每一傳播測量區域的交界點以及兩交界點的中心點，分別為Y1、Y2、Y3。按如圖9所示進行劃分，得到X、Y、Z三個面的特征點，如(X1，Y1，Z1)、(X1，Y1，Z2)等總計共120個特征點。

圖9 超聲波測量區域特征點示意圖Fig.9 Schematic diagram of characteristic points in ultrasonic measuring area

采集所有特征點的速度數據并對該區域所有特征點的速度求相對均方根值，計算公式如式(7)：

為方便計算式(7)，引用標準差計算公式：

式(7)、(8)進行化簡得到：

分別對兩種模型在三個測試流量點下采集得到的速度值數據計算相對均方根，最后得到的結果如表2所示。同時提取三個流量點Z2、Z3層的速度大小數據，分別計算其速度均值，如表3所示。

從表2中可以得出，模型1在qmin和qt流量點的相對均方根值要小于模型2，在qmax流量點的相對均方根值要大于模型2；由表3可見，模型1在qmin和qmax流量點的速度均值要小于模型2，在qt流量點的速度均值要大于模型2。

表2 兩種模型特征點流速計算數據表Table 2 Calculation data of flow velocity at the characteristic points of two models

表3 兩種模型的Z2、Z3層的流速均值數據Table 3 Mean velocities of two models at thelayers of Z2、Z3

在小流量測試領域，由于測量得到的傳播時間非常小，相比于流場帶來的速度分布均勻性的影響，依據時差法測量原理，同一流量點下，管道內流速越大，測得的時差越大，時差分辨率越大，更能夠提高測量的準確性和穩定性，因此選擇模型2為更合理的樣機結構。

3 實驗驗證

3.1 流量檢定裝置

本次實驗采用的是音速噴嘴氣體流量標準檢測裝置，其測量精度為0.5級，裝置簡圖如圖10所示。該裝置由離心泵、儲氣罐、匯流管、電磁閥、音速噴嘴、滯止容器、壓力計和溫度計組成。該標準裝置使用負壓法方式，采用真空裝置在音速噴嘴下游抽取真空，形成音速噴嘴所需臨界流條件，滯止壓力為大氣，流量穩定。實驗測試使用的超聲燃氣表樣機所圖11所示，超聲燃氣表樣機如圖12所示。

圖10 標準流量檢測裝置示意圖Fig.10 Schematic diagram of the standard flow detection device

圖11 標準流量檢測裝置實圖Fig.11 Picture of standard flow detection device

圖12 超聲燃氣表樣機Fig.12 Prototype picture of the ultrasound gas meter

標準裝置通過幾只不同流量值的噴嘴組合形成一系列流量點，下游的真空泵運轉產生負壓，氣體流經被檢表，進入滯止容器中，再經過音速噴嘴。流量大小也可以通過電磁閥閥門運轉來控制，測量滯止容器中壓力與溫度以及被檢表前的壓力與溫度，即可計算得到流過被檢表的標準體積流量。

3.2 實驗測試

本次實驗在室內溫度20℃、標準大氣壓下進行，在標準檢測裝置上對兩種基表進行流量測試，每個仿真流量點分別測試三次，裝置根據三次測量誤差計算出實驗重復性，記錄重復性數據，兩種模型的實驗數據如表4所示。

表4 兩種模型實驗數據表Table 4 Experimental data of two models

從表4中可以看出，在qmin流量點，模型2的重復性優于模型1；在qt和qmax流量點，模型1的重復性優于模型2，但結果基本一致。

由于超聲燃氣表在低壓小流量測試范圍的精度和穩定性更加難以控制，在實驗數據上相差更大。因此本文在上述實驗的基礎上，針對小流量測試范圍，從中選取0.025、0.04、0.08、0.15、0.25 m3·h-15 個流量測試點，對兩種模型的測試性能繼續比對，每個測試流量點分別測試三次，觀察影響。實驗結果如圖13和圖14所示。

圖13 對比實驗誤差均值數據Fig.13 Mean error data in comparison experiments

圖14 對比實驗重復性數據Fig.14 Repetitiveness data in comparative experiments

從圖13和圖14的數據中可以看出，模型2的測試結果，無論從測試誤差均值的穩定性，還是誤差的重復性方面都優于模型1，實驗數據驗證了流體仿真結果的正確性。

4 結 論

本文以流場適應性分析為出發點，設計了兩種不同結構的基表模型。通過建立模型、繪制網格，進行數值仿真計算，獲得兩種模型在不同流量下的流場分布。建立了一種基于超聲波傳播區域的離散點集合，依據離散點速度數據計算區域速度的均值和相對均方根，分析整體區域流場速度的大小和分布均勻性，選取模型2作為樣機模型，最后通過測量性能比對實驗，驗證了數值仿真計算的結果的正確性，并驗證了豎直放置(后徑角度為180°)的模型2是更合理的樣機結構。