探頭局部擾流對超聲流量計測量結果影響

陳文琳，武建軍，丁 昭

(1.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000; 2.新疆維吾爾自治區計量測試研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

20世紀90年代以來，超聲波技術開始應用于氣體流量測量領域。隨著計算機應用技術的飛速發展，氣體超聲流量計在天然氣工業中的應用得到了突破性的進展[1]。氣體超聲流量計具有準確度高、測量范圍寬、無阻流部件造成的壓力損失、可雙向測量流量、能測量穩態及低頻脈動氣流的流量、適用于各種不同管道直徑等特點，是近些年在高壓、大流量天然氣流量計量領域中發展最迅速的新型流量計[2-3]。

國際電工委員會的 IEC41和美國機械工程師協會的 PTC18中給出了多聲道超聲流量計的聲道安裝高度和流量計算權重系數。超聲流量計的流量計算權重系數是根據無探頭管道的流場計算得到的，實際探頭安裝情況會改變聲道測量范圍并擾動流場，給流量計測量結果引入誤差。PTC 18-2011指出：超聲流量計插入式探頭相對于管道內壁凹陷或凸起會對測量產生影響。凹陷會使流場產生扭曲變形；凸起會使測量聲道的流速不完整，均導致測量值偏低[4]。鄭丹丹團隊通過計算流體動力學數值仿真研究發現，探頭全伸和全縮時都會造成流量測量的負誤差，沿各聲道均會產生負速度，但由于二者產生機理不同造成負速度出現的位置也不同[5]。兩個安裝位置相比，探頭全伸比全縮測量效果更好[6]，而換能器對流場的節流作用使得采用交叉聲道布置形式、換能器全部插入管道時的測量效果最好[7]，測量誤差最小。胡岳等針對探頭擾動提出簡化模型，根據簡化模型給出探頭擾動誤差估算方法，進行了數值仿真研究。結果表明，探頭擾動造成的測量負誤差隨著超聲流量計直徑減小迅速增大。DN100 mm多聲路超聲流量計中探頭擾動造成的測量誤差達到-5%，且誤差隨雷諾數的變化率比 DN500 mm多聲路超聲流量計大[8]。B.Wang等人采用數值模擬和實驗相結合的方法，研究了換能器安裝位置對超聲波流量測量精度的影響，找出了最佳安裝位置。還通過計算流體動力學（CFD）分析研究了路徑數和管徑對最佳安裝位置流量測量精度的影響，發現換能器安裝對較短超聲路徑的速度影響較大管徑越大，偏差越小，且誤差隨著路徑數的增加而減小[9]。Chen Desheng等人提出了一種V型雙聲道布置結構的DN25型超聲波氣體流量計，仿真結果表明第一對換能器的安裝結構會影響其后面換能器的信號傳播。因此，根據流場分布對超聲波信號進行處理，采用不同的加權算法，獲得準確的管道流量對提高超聲波流量計的測量精度至關重要[10]。馬雪林等對DN200 mm的5聲道超聲流量計進行了流-聲耦合的數值模擬研究，定量分析了不同聲道截面下流速分布、換能器端面的聲壓信號分布，分析聲波與管壁之間的相互作用及其對信號傳輸的影響，得到該模型下不同流速時的系統計算誤差[1]。

現有的針對探頭安裝方式對超聲流量計測量結果影響的研究多針對液體超聲流量計，且多以CFD數值仿真研究為主，缺少相應的實驗數據支撐與驗證。本文在高壓氣體環道裝置上分別針對DN100 mm和DN200 mm的雙面八聲道超聲流量計進行實驗，分析探頭安裝方式引入的誤差，并比較不同壓力下探頭安裝方式帶來的誤差的變化情況。

1 實驗內容設計

1.1 實驗用雙斷面八聲道超聲流量計

超聲波在流動的流體中傳播時，沿著逆流和順流傳播所用的時間不同，這個時間差反映流體流速的信息，這就是時差法超聲流量計的測量原理[11]。為了提高超聲流量計的測量準確度, 在待測截面上平行地布置多條聲路, 獲得的聲路速度可以代表待測截面上相應平行條帶內的平均速度，綜合各聲道位置信息，通過加權積分的方法計算出管道內的流量[12]，如下：

式中：A——管道橫截面積；

——面平均速度；

R——管道半徑；

Wi——聲道i的權重系數；

vi——通過時差法在聲道i上測得的線平均速度；

n——聲道個數。

多聲道超聲流量計能夠解決單聲道速度分布修正系數不確定度大的問題[13]，降低對流動干擾和非理想流場的敏感性[14]，比單聲道超聲流量計測量精度更高[15]。目前大口徑天然氣輸氣管道所使用的流量計基本上都是多聲道超聲流量計[16-17]。

本次實驗采用平行布置的雙斷面8聲道超聲流量計，其聲道布置如圖1所示。在1、2兩個斷面內分別平行布置4個聲道，從上到下四個聲道分別為A、B、C、D，各聲道與管道軸線的夾角為60°。實驗過程中獲得各聲道上的流速后，通過式（1）計算管道內的流量，與標準裝置顯示的參考流量Qref進行比較，獲得測量誤差E。平行四聲道時A、D聲道的權重系數為0.138 2，B、C聲道的權重系數為0.361 8，雙面八聲道取兩個斷面的平均值，則各聲道的權重系數減半。雙面聲道的布置形式在一定程度上可以減小旋渦、橫向流等擾流的影響，提高測量結果準確度。

圖1 實驗用超聲流量計聲道位置示意圖

1.2 實驗過程

實驗在中國計量科學研究院高壓環道空氣流量標準裝置上完成。該環道裝置由4臺氣體渦輪流量計作為標準器，壓力范圍為0.2～2.5 MPa、流量范圍為20～1 600 m3/h，不確定度為0.20 % (k=2)。其中DN100 mm的超聲流量計分別在0.36 MPa、1.3 MPa、2.5 MPa的管道壓力下，選取相近的流量點進行實驗；而DN200 mm的超聲流量計則分別在0.69 MPa、1.3 MPa、2.5 MPa的管道壓力下選取相應流量點完成實驗。實驗過程中超聲流量計上游安裝有流動調整器[18]，且前后直管段長度滿足要求，保證最大程度上降低安裝條件對實驗結果帶來的影響。同時標準裝置上有熱交換機，可以控制實驗過程中的介質溫度變化不超過±0.5 ℃，滿足標定需求。

2 實驗結果討論

圖2以對數刻度的雷諾數為橫坐標，測量結果為縱坐標，展示了DN100 mm和DN200 mm超聲流量計的測量結果。從圖中可以看出，由于探頭局部擾流帶來的影響，超聲流量計的測量結果均為負誤差。總體上，DN100 mm的超聲流量計的測量誤差在-1.5%～-3%之間，而DN200 mm的誤差較小，在-1.3%～-2.1%之間，說明探頭局部擾流對小口徑的流量計影響更為明顯。

圖2 不同口徑的超聲流量計的測量結果

同時也可以看出，以雷諾數的對數為橫坐標時，DN100 mm和DN200 mm超聲流量計的測量結果呈現出不同的變化趨勢，需進一步進行分析。

2.1 DN100 mm的超聲流量計測量結果分析

圖3以介質流速為橫坐標、測量誤差為縱坐標，展示了DN100 mm超聲流量計的測量誤差，結果表明：相近流速點處，測量誤差隨著管道壓力的增加而增加；而相同壓力下，測量誤差則隨著流速的增大而負向遞增，但增速逐漸變緩。

圖3 DN100 mm 超聲流量計在不同壓力下的測量結果

通過最小二乘法曲線擬合可以看出，DN100 mm超聲流量計的測量誤差與流速之間可以用二次多項式的方式進行擬合，擬合公式模型為：

其中，不同壓力下擬合曲線的常數項c均為負值，可以體現出探頭局部擾流對超聲流量計測量結果產生負向誤差的影響；同時，常數項c隨著壓力的增大而負向增大，也與實際結果一致。

表1為文獻[8]中報道的介質為常溫常壓空氣時DN100 mm的交叉四聲道超聲流量計的實流實驗結果，該結果與本文的研究結果相比，誤差變化趨勢基本一致，流速增大至一定值后，誤差基本保持不變，甚至開始減小，與2.5 MPa下的實驗結果一致。但其測量誤差略大于此次高壓氣體流量的實驗結果。實驗結果的差異來源，一方面是探頭大小不同，文獻中的探頭直徑為18 mm，本文實驗用超聲流量計探頭直徑為12 mm，探頭直徑大導致回流更明顯，測量誤差向負向偏移；另一方面是積分方法不同引入的測量誤差之間的差異。

表1 DN100 mm交叉四聲道超聲流量計實流實驗結果[8]（常溫常壓空氣）

2.2 DN200 mm的超聲流量計測量結果分析

圖4展示了DN200 mm的超聲流量計受探頭局部擾流影響的實驗結果。與DN100 mm的超聲流量計的測量結果類似，相近流速點處，測量誤差則隨著管道壓力的增加而增加。但與圖3呈現的結果略有不同的是，在相同壓力下，測量誤差并未隨著流速的增大而負向單向遞增。結合圖2可以看出，三種不同壓力下，均以雷諾數Re=1×106左右為分界點，雷諾數小于分界點時，測量誤差均隨著流速的增加而增大，當雷諾數大于分界點時，測量誤差變化幅度變緩，甚至呈現隨著流速的增大誤差降低的現象。

圖4 DN200 mm 超聲流量計在不同壓力下的測量結果

同樣對測量結果進行曲線擬合，可以看出，DN200 mm超聲流量計的測量誤差與流速之間也可以通過二次多項式擬合得到較好地呈現。

2.3 結果討論

此次實驗用超聲流量計的探頭安裝方式如圖5所示，探頭安裝位置有凹槽，探頭中心處與壁面齊平，屬于相切式安裝，這種安裝方式不會影響聲道線的長度。凹槽的存在使得探頭附近有死區[19]，同時流體經過上游探頭凸起處時，會使探頭附近產生回流[5-6]，這是因為換能器上游流經管道壁面的流體在突然經過換能器安裝所引起的凸起或凹陷部分時，受到剪切力的影響而在換能器附近形成一定的速度梯度[1]，導致各聲道的線平均速度減小。因此，流量測量值偏小，測量誤差為負。聲道A/D的聲道線較短，且探頭安裝過程中凸出的更為明顯，因此受探頭局部擾流的影響更為顯著，而靠近管道中心線的B/C聲道受到的影響則相對較小。

圖5 探頭安裝方式

DN100 mm和DN200 mm超聲流量計的探頭直徑相同，因此，管道口徑越小，探頭帶來的影響也更明顯，流量計測量誤差隨雷諾數（或流速）的變化率也更大。而DN200 mm的超聲流量計測量誤差隨著流速的增加有所降低，這是由于管徑較大，流速增加時上游探頭附近產生的回流逐漸遠離聲道線，因此對測量結果的影響有所降低。同時由于流體自身相互作用而產生動力聲源，使換能器凹槽處停滯的流體發生振動，形成噪聲，從而對超聲波流量計的測量精度產生一定的影響。

3 結束語

在高壓空氣流量標準裝置上不同壓力、不同流速點下對DN100 mm和DN200 mm的超聲流量計進行標定，結果表明，探頭局部擾流會對超聲流量計測量結果產生影響，此次有凹槽的相切式探頭安裝方式會使超聲流量計產生負誤差，且管徑越小，這種負向誤差越大，同時小口徑超聲流量計測量誤差隨雷諾數的變化率更大，使用過程中需要進行誤差修正。

基于流速和測量誤差對實驗結果進行曲線擬合，結果表明超聲流量計測量誤差與流速之間的關系可以多項式的形式呈現。這也進一步說明，探頭局部擾流對超聲流量計測量結果的影響較為復雜，需要通過大量實驗進行驗證。

多聲道超聲流量計由一定聲道范圍內的一條聲道線代表此范圍中的平均流速，因此，積分方法也必然會對測量結果產生一定影響[13]，此次實驗過程中未考慮積分方法的誤差來源，后續的實驗中，會進一步對這方面的影響進行分析。