球閥開度對便攜式超聲波流量計測量精度的影響

盧宜東，于文浩，周文江，梁 超

（石家莊華電供熱集團有限公司，石家莊 050000）

我國政府一直高度關(guān)注氣候變化對國家和社會的影響，并積極推進碳減排工作。 2020年正式提出2030年前碳達峰、2060年前碳中和的戰(zhàn)略目標，精準計量是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的有力推手之一。 利用便攜式超聲波流量計對非標準安裝、安裝與拆卸耗時長且體積較大的流量測量儀表進行在線校準成為首選方案[1-4]。 在現(xiàn)場校準過程中，便攜式超聲波流量計也會遇到前后直管段長度不滿足要求情況，然而，國內(nèi)關(guān)于便攜式超聲波流量計在非標準安裝條件下計量性能的科學(xué)研究尚未見報道。 因此，本文以不同開度的球閥為擾流件，利用計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)與實流實驗相結(jié)合的方法研究便攜式超聲波流量計在V 型聲程下的換能器最佳周向安裝位置，探索球閥開度與前直管段長度對便攜式超聲波流計測量精度的影響規(guī)律。 該研究結(jié)果對實現(xiàn)便攜式超聲波流量計在非標準安裝條件下能夠進行有效校準的工作具有重要意義。

1 超聲波流量計工作原理

便攜式超聲波流量計的測量原理如圖1 所示，超聲波在流體中傳播時就會承載流體的流速信息，因此，通過接收到穿過流體的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。 檢測方法中應(yīng)用最為普遍的是速度差法，其基本原理是利用測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度差來反應(yīng)流體的流速[5-7]。 由式（2）可知，測量管道中的聲波傳播路徑上的漩渦、速度分布等流動參數(shù)是影響超聲波流量計測量精度的關(guān)鍵因素。

圖1 超聲波流量計測量原理Fig.1 Measurement principle of ultrasonic flowmeter

對于V 型聲程，流速和流量計算公式分別為式（1）和式（2）：

式中：θ2為超聲波在流體中的折射角；t2為超聲波逆流傳播時間；t1為超聲波順流傳播時間。

2 研究方案

本研究采用的球閥結(jié)構(gòu)如圖2 所示，首先利用CFD 數(shù)值模擬對不同開度球閥的下游流態(tài)進行數(shù)值模擬，揭示球閥下游流場分布規(guī)律；在流場分析基礎(chǔ)上，利用石家莊華電供熱集團有限公司的標準水裝置進行球閥開度K、 換能器布置位置p 及前直管段長度L 對測量精度影響的實驗，實驗裝置如圖3 所示。

圖2 球閥結(jié)構(gòu)與換能器安裝角度Fig.2 Structure of ball valve and installation angle of transducer

圖3 實驗裝置Fig.3 Experimental device

受閥門開度影響，測量經(jīng)過球閥后形成射流，因此本研究采用CFD 技術(shù)中的SST k-ω 湍流模型對球閥下游的流場進行計算[8-9]。 圖4 為不同開度（30%，50%，70%） 通徑球閥下游的速度場云圖，從圖中可以看出，射流出射后與周圍靜止流體形成速度不連續(xù)的間斷面，間斷面失穩(wěn)產(chǎn)生旋渦，旋渦尺寸隨閥門開度的減小而增大。 鑒于上述流場結(jié)構(gòu)，兩個換能器布置在周向基準安裝位置（圖2 中d 線，即換能器連線為閥芯旋轉(zhuǎn)軸的高流速側(cè)中垂線）處的測量偏差最小、流動穩(wěn)定性最好，且開度越大，便攜式超聲波流量計對前直管段長度的要求越短。 但受現(xiàn)場空間和人為因素影響，該換能器布置位置難以保證。 為了確定便攜式超聲波流量計在V 型聲程下的換能器最佳周向安裝區(qū)域，探索前直管段長度對便攜式超聲波流量計測量精度的影響規(guī)律，本研究制定如表1 所示的實驗方案，設(shè)定基準安裝位置d 為0°、a 為安裝位置旋轉(zhuǎn)15°、a′為安裝位置旋轉(zhuǎn)-15°、b 為安裝位置旋轉(zhuǎn)10°、b′為安裝 位置旋轉(zhuǎn)-10°、c 為安裝位置旋轉(zhuǎn)5°、c′為安裝位置旋轉(zhuǎn)-5°，具體位置見圖2。

圖4 不同開度球閥下游速度場云圖Fig.4 Velocity nephogram downstream of ball valve with different opening

表1 實驗方案Tab.1 Experimental scheme

3 實驗結(jié)果

3.1 評價指標

本文采用相對示值誤差、誤差偏移量和測量重復(fù)性對實驗結(jié)果進行評價，相對示值誤差為式（3）和式（4），誤差偏移量為式（5），重復(fù)性計算公式為式（6）和式（7）：

式中：Eij為第i 流量點第j 次測量的相對誤差；qij為被檢表第i 流量點第j 次測量時流量值；（qs）ij為標準表第i 流量點第j 次測量的流量值。

式中：（Ed）i為換能器位于基準位置d 時的測量誤差；（Ep）i為換能器位于位置d，a，a′，b，b′，c，c′時的測量誤差。

式中：Eri為第流量點的相等誤差重復(fù)性；Ei為第i個流量點的平均相對誤差；Er為被測儀表在整個量程范圍內(nèi)的重復(fù)性。

3.2 實驗結(jié)果分析

當(dāng)換能器布置在基準位置d， 球閥開度K 與前直管段長度L 對便攜式超聲流量計測量精度的影響規(guī)律如圖5 所示， 從圖中可以看出，K 相同時，測量誤差Ei隨L 的增加而減小；L 相同時， 測量誤差隨K 的增大而減小；L 對測量范圍內(nèi)的誤差波動性影響較小， 誤差可近似于常數(shù)； 當(dāng)K≥50%，L≥5D時，測量誤差接近-1%；

圖5 前直管段長度對便攜式超聲流量計測量精度的影響規(guī)律（p=d）Fig.5 Influence law of front straight pipe length on measurement accuracy of portable ultrasonic flowmeter（p=d）

換能器布置位置p 引入的測量誤差偏移量分布規(guī)律如圖6 所示，從圖中可以看出，在-10°≤p≤10°范圍內(nèi)，誤差偏移量σ 在±1%以內(nèi)；在p＜-10°或p＞10°時，p 引入的誤差偏移量σ 較大， 且波動范圍較寬。

圖6 換能器安裝位置（p）引入的測量誤差偏移量分布規(guī)律Fig.6 Distribution law of measurement error offset introduced by transducer installation position（p）

K，p 及L 對便攜式超聲流量計測量重復(fù)性的影響規(guī)律如圖7 所示。由圖可見，p 是影響測量誤差的重復(fù)性的關(guān)鍵因素，當(dāng)-10°≤p≤10°范圍內(nèi)，測量誤差重復(fù)性Er≤0.33%， 滿足1 級表的重復(fù)性要求；K及L 對測量誤差重復(fù)的影響較小。

圖7 便攜式超聲流量計測量重復(fù)性的影響因素及影響程度Fig.7 Influencing factors and degree of measurement repeatability of portable ultrasonic flowmeter

4 結(jié)語

球閥開度K、前直管段長度L、換能器布置位置p 均是影響便攜式超聲波流量計測量性能的關(guān)鍵因素。 當(dāng)K≥50%，-10°≤p≤10°時，K 和L 是影響誤差大小的關(guān)鍵因素，p 是影響測量誤差重復(fù)性的關(guān)鍵因素；測量誤差隨K 和L 的增大而減小；在整個測量范圍內(nèi)，L 對誤差波動性影響較小，誤差可近似于常數(shù)；測量誤差重復(fù)性Er≤0.33%；引入的誤差偏移量在±1 以內(nèi)。因此，當(dāng)K≥50%，-10°≤p≤10°時，由直管段長度不足引入的便攜式超聲波流量計測量誤差通過修正，可以保證測量精度在±1%以內(nèi)，測量誤差重復(fù)性在0.33%以內(nèi)，滿足在線校準要求。