狹窄流道內(nèi)氣體流速的三聲道超聲測量

馬 良，俞天陽，田 昌，侯懷書，蘇明旭

(1. 上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093; 2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201418)

0 引 言

管道和各類狹窄通道內(nèi)的氣體流速測量，在石油天然氣工業(yè)、冶金工業(yè)、動力機械、環(huán)保和能源計量等多個領(lǐng)域均受到廣泛關(guān)注[1-4]。天然氣從采集、儲運、處理、分配等過程中，均需要對氣流速度進行嚴(yán)格的測量，保證其可靠性和精度以用于貿(mào)易結(jié)算；在冶金行業(yè)中，需借助燃氣、煙道氣[5]、煤氣等氣體速度測量實現(xiàn)對冶煉過程的監(jiān)控；葉柵通道內(nèi)的復(fù)雜流動對于燃汽輪機的效率、可靠性和長壽命也非常關(guān)鍵[6]，因此需要一種安全、可靠且無干擾的測量方法和技術(shù)滿足各種流動的測量需求。基于超聲時差法檢測原理的氣體流速測量是一種典型的非接觸測量方法[7-8]，具有對流場無干擾、成本低、安全和對流體特性的適應(yīng)性寬等優(yōu)點。同時，因超聲波還具有測量精度高[9-10]、方向性好[11]、在介質(zhì)中傳播能力強等特性[12]，有望結(jié)合成像技術(shù)實現(xiàn)對二維甚至三維流場的非接觸可視化測量。國外對超聲測速方面的研究起步早、技術(shù)相對成熟[13]，涉及氣體流量測量[14]、兩相流測量[15]以及超聲波在流場中的信號處理[16]、去噪等方面的研究；國內(nèi)學(xué)者針對自然環(huán)境、燃煤電站等大環(huán)境或管道中氣體流速測量開展較多研究，但在狹窄空間內(nèi)氣體流速的超聲實驗研究還較為欠缺，本文采用多對超聲波換能器形式對自行設(shè)計的狹窄通道氣流流動進行實驗研究。

1 實驗原理和裝置

1.1 實驗原理

超聲時差法測速原理如圖1所示。氣流呈水平流動，上游換能器T1發(fā)射聲波在流場中傳播并反射后由下游換能器T2接收，規(guī)定此方向為順流。同理，T2發(fā)射聲波逆流傳播經(jīng)反射后由T1接收為逆流。超聲波在流動介質(zhì)中的順/逆流傳播時間為：

圖1 超聲時差法原理示意圖

式中：v——氣體平均流速；

θ——超聲波換能器發(fā)射方向與管內(nèi)氣流方向夾角；

L——聲程；

c——超聲波傳播速度。

則順/逆流時差為：

由于實驗工況為低速流，超聲傳播速度遠大于測量區(qū)平均氣體流速，即式（2）中c2?v2，則氣體流速計算公式簡化為：

1.2 空氣耦合超聲波換能器

根據(jù)研究需要，設(shè)計一種壓電式空氣耦合超聲波換能器用于氣體流速和速度場檢測，換能器具有如下特性：1）結(jié)構(gòu)簡單激勵效果好，因空氣中超聲衰減很快，應(yīng)確保超聲波發(fā)射信號較強；2）具有較好耐電壓特性，與所設(shè)計380 V高壓脈沖發(fā)射和接收模塊相匹配；3）支持換能器小型化，直徑可小至僅數(shù)毫米，換能器結(jié)構(gòu)緊湊，晶片采用電極導(dǎo)電樹脂和耐高溫膠壓接（異于傳統(tǒng)焊接方式）。圖2為設(shè)計的200 kHz換能器結(jié)構(gòu)和實物圖。

圖2 空氣耦合超聲波換能器

1.3 多通道信號同步發(fā)射掃描和接收裝置

數(shù)字式多通道信號同步發(fā)射掃描和接收裝置硬件包含超聲發(fā)射模塊、掃描模塊和接收模塊并集成至工控機。超聲發(fā)射模塊可產(chǎn)生–380 V高壓尖峰窄脈沖，并對高壓激勵和較強的初始信號限幅，防止對后級模塊造成破壞；掃描模塊包含八路信號選通和控制，用于選通超聲波激勵信號和接收通道，確保每次循環(huán)發(fā)射聲波能夠被其余通道接收，并經(jīng)過接收模塊信號放大并數(shù)字化后傳至工控機。開發(fā)軟件人機交互界面如圖3所示，各通道增益、波形偏移量及采樣頻率可人為設(shè)置，掃描模式下確保500 ms內(nèi)完成所有通道切換，接收波形和聲時實時顯示。

圖3 人機交互界面

圖4為實驗裝置示意圖，使用了六通道測試系統(tǒng)（其余通道預(yù)留）。限于狹窄流道的尺寸和易受氣流微小波動影響，采用反射式2×3的陣列裝配方式增大聲程并抵消渦流的影響，盡可能覆蓋測量區(qū)從而獲取更全面的流動信息。換能器陣列按其發(fā)射方向與管內(nèi)氣流方向呈60°夾角布置。實驗時開啟風(fēng)機使氣流在尺寸為60 mm×60 mm×250 mm的矩形斷面流道里形成穩(wěn)定流動，換能器陣列分別將順、逆流數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C，通過測量時差計算流速，并與流道內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)畢托管結(jié)果對比驗證。

圖4 實驗裝置示意圖

2 實驗與分析過程

2.1 流速標(biāo)定

狹窄流道布置于風(fēng)機出口處，為確認流道內(nèi)的氣流穩(wěn)定流動，在20 m/s的設(shè)定風(fēng)速下，用校正系數(shù)為1、準(zhǔn)確度等級為1級和分辨率為1 Pa的標(biāo)準(zhǔn)畢托管在流道截面進行流速測量，9個測點布置如圖4右上，A-I點流速依次為 20.08，20.04，20.16，20.13，20.23，20.10，20.08，20.08，20.15 m/s。以中心點（E點）為主流速度，各點流速均與其基本吻合，最大相對偏差約0.94%。

2.2 靜態(tài)實驗

理論上靜態(tài)氣體介質(zhì)中超聲波沿測量區(qū)上/下游雙向傳播時間相同，但由于換能器制作一致性、波形閾值取點、電路延遲等因素在實測中出現(xiàn)不相等的情況，因此在動態(tài)實驗前須消除此類誤差。表1列出靜態(tài)實驗上/下游超聲傳播時間差。采用狄克遜準(zhǔn)則剔除掉第6次實驗異常跳變數(shù)據(jù)，獲得靜態(tài)平均時差為0.62 μs，在動態(tài)實驗數(shù)據(jù)中應(yīng)補償該時差從而消除誤差。

表1 靜態(tài)條件實驗測得超聲傳播時間

2.3 動態(tài)實驗

超聲波換能器通道按1至6編號，其中1-2、3-4和5-6為流道左、中、右區(qū)域的對應(yīng)檢測通道，并將此方向設(shè)定為順流，2-1、4-3、6-5為逆流方向。動態(tài)實驗中，通過調(diào)節(jié)電機頻率讓氣流速度從5 m/s逐工況升至30 m/s左右再降至5 m/s，按速度增為正行程，反之為逆行程。每個行程取10個工況，每一工況待流速穩(wěn)定后進行測量。圖5為流速10 m/s時波形圖，為了提高精度并且便于對比分析順/逆流的相對信號強度，對采集波形數(shù)據(jù)做了歸一化處理。可以直觀分辨每組相鄰的順/逆流波形，選取波峰幅值最大的一組所對應(yīng)的幅值點計時，從而通過時差法原理計算出流速。

圖5 10 m/s下超聲波波形圖

3 結(jié)果與討論

圖6為正/逆行程各工況下3-4通道和與其對應(yīng)的畢托管E點測得主流速度結(jié)果。超聲法測得的正/逆行程的速度變化趨勢與標(biāo)準(zhǔn)畢托管非常吻合，各工況下流速最大相對誤差分別為正行程4.15%、逆行程4.65%。由超聲時差法原理可知時差和流速呈線性關(guān)系，為此，將二者做線性擬合以尋求最佳斜率估計值，圖7為正/逆行程擬合曲線。

圖6 正/逆行程流速測量結(jié)果

圖7 正/逆行程流速-時差擬合曲線

將擬合獲得的速度表達式的斜率（正行程：0.965、逆行程：0.973）代入下列公式即可計算修正系數(shù)。帶修正系數(shù)的流速表達式為：

其中k為流速修正系數(shù)。

其中v1、v2分別為正、逆行程速度。

對比式(4)和式(5)斜率可得到：

其中k1、k2分別為正、逆行程修正系數(shù)。

從表2可知實驗過程溫度變化不大，通常當(dāng)溫度上升1 ℃聲速約變化0.6 m/s，正、逆行程最高與最低溫差分別為0.2 ℃和0.1 ℃，取溫度平均處理引入聲速誤差至多0.06 m/s，可忽略不計。取正行程平均溫度值14.25 ℃和逆行程平均溫度值13.84 ℃帶入式(6)計算分別得到正、逆行程的修正系數(shù)k1=1.027和k2=1.01。

表2 不同工況溫度和與其對應(yīng)的靜態(tài)超聲波傳播速度

圖8為選取三組通道在正、逆行程各6種工況下修正后流速結(jié)果。不同工況下三組通道間測得流速均較為接近，這符合之前標(biāo)定實驗的結(jié)論，說明流道內(nèi)流速整體較一致；其中，各工況下3-4通道流速比其他兩通道略大，這是因為3-4通道對應(yīng)通道主流速度，其他兩個通道更接近流道壁面；測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)畢托管測得流速對比也非常接近，正、逆行程相對誤差最大值分別減至1.66%和1.85%。由于實驗測得值反映超聲傳播路徑上的平均流速，都小于標(biāo)準(zhǔn)畢托管所測中心點測量結(jié)果，這也與實際情況較為相符。

圖8 修正后正/逆行程流速測量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文研制了一種空氣耦合超聲波換能器和六通道信號同步發(fā)射掃描和接收裝置，形成了一套完整的三聲道多發(fā)多收超聲測速系統(tǒng)。借助可調(diào)速風(fēng)機，在自行設(shè)計的狹窄流道上采用反射式2×3的安裝方式對5 m/s至30 m/s的工況進行測量。通過正/逆行程聲時測量和流速計算，系數(shù)修正后測速結(jié)果較標(biāo)準(zhǔn)畢托管最大相對誤差分別為1.66%和1.85%。該方法和測試系統(tǒng)有望進一步擴展至狹窄流道內(nèi)二維速度場測量。