汪宋良

　?。▽幉ǔ鞘新殬I(yè)技術(shù)學(xué)院 信息學(xué)院,浙江 寧波 315100）

　　摘要：當(dāng)均速管流量傳感器安裝在彎頭下游時(shí),，由于流體流動(dòng)為非充分發(fā)展湍流，增加了放大器流量檢測(cè)的誤差,。為提高儀表檢測(cè)精度,，提出了在超聲波氣體流量計(jì)前端一定距離安裝整流裝置改善氣態(tài)分布均勻性，減少超聲波測(cè)量誤差的方法,。采用理論計(jì)算分析和實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的方法,，基于傳統(tǒng)整流裝置，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型整流裝置結(jié)構(gòu)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，安裝改進(jìn)的裝置后,，超聲波流量計(jì)的線性誤差減少到0.2%內(nèi)。

　　關(guān)鍵詞：超聲波技術(shù),；氣體流量計(jì),；整流裝置；流量測(cè)量,；測(cè)量誤差

　　中圖分類號(hào)：TH184文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.026

　　引用格式：汪宋良.提高超聲波氣體流量計(jì)精度的整流裝置研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（10）：92-93，95.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：校內(nèi)科研項(xiàng)目（ZZX16054）

　　為滿足氣體流量計(jì)測(cè)量不斷提高要求,，超聲波技術(shù)被應(yīng)用于氣體流量檢測(cè),，它是繼孔板、渦輪流量計(jì)之后出現(xiàn)的第三類高精度的新興氣體檢測(cè)儀表,。超聲波氣體流量計(jì)是通過(guò)超聲波脈沖沿順,、逆流兩個(gè)方向上聲傳播時(shí)間不同來(lái)測(cè)量氣體的流速和流量的新技術(shù)。由于它對(duì)流體無(wú)阻力,、無(wú)壓力損失,、受流體物理性質(zhì)限制少以及使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，備受業(yè)界關(guān)注,，具有很大的前景,。換能器裝置及其關(guān)鍵技術(shù)、流場(chǎng)適應(yīng)性問(wèn)題,、時(shí)間測(cè)量技術(shù)等都將影響超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量精度,。流場(chǎng)適應(yīng)性問(wèn)題又是相對(duì)容易解決的技術(shù)問(wèn)題，它可以細(xì)分為管道走向,、管壁粗糙度,、阻流件及調(diào)整器等問(wèn)題。

1流程適應(yīng)性研究

　　對(duì)超聲波流量計(jì)流場(chǎng)適應(yīng)性問(wèn)題的研究主要分析管道走向,、調(diào)節(jié)裝置對(duì)流量檢測(cè)帶來(lái)的影響,，達(dá)到最適宜于流量計(jì)安裝及檢測(cè)的條件。管道走向的變化會(huì)改變流場(chǎng)速度分布并使之產(chǎn)生扭曲,，很多科研人員出于各種不同的目的都對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)研究,，相關(guān)的研究成果近年來(lái)己被成功應(yīng)用于氣體超聲波流量計(jì)。1982年,ENAYET M M等人利用激光多普勒技術(shù)對(duì)單彎管流場(chǎng)進(jìn)行了分析［1］,。1991年,，LAI Y G等人利用理論推導(dǎo)與流體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的分析方法計(jì)算了彎管中的流體擾動(dòng)問(wèn)題，對(duì)流場(chǎng)分布給出了數(shù)值解［2］,。1996年德國(guó)的科研人員HILGENSTOCK A和ERNST R將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)相印證，成功地分析了超聲波流量計(jì)檢測(cè)精度與彎管流場(chǎng)變形之間的關(guān)系［3］。1999年,，LIM K V等人探討了直角彎管中流場(chǎng)對(duì)電磁流量計(jì)檢測(cè)精度的影響情況,，他們的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)最遠(yuǎn)到達(dá)彎管后部22倍直徑的距離［4］。2015年,，吳春華［5］利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試了電路延時(shí)完成補(bǔ)償算法,，對(duì)多個(gè)標(biāo)定流量點(diǎn)進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)流檢測(cè)，驗(yàn)證了通過(guò)測(cè)量壓力差對(duì)彎管二次流誤差修正的流暢適應(yīng)性仿真結(jié)果和補(bǔ)償方法的有效性,。2014年,，鄭丹丹等人基于實(shí)流實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合［6］，對(duì)單聲道流量計(jì)的5種聲道布置進(jìn)行研究,，表明聲道布置對(duì)流場(chǎng)適應(yīng)性有一定的影響,。

　　綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲波流量計(jì)復(fù)雜流場(chǎng)的研究成果，本文基于實(shí)流實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合方法,，對(duì)流場(chǎng)整流裝置進(jìn)行系統(tǒng)研究,，分別比較了多種不同的整流裝置對(duì)流場(chǎng)影響，提出一種新型整流結(jié)構(gòu),，最終實(shí)現(xiàn)整流效果,，提高超聲波流量計(jì)的流暢適應(yīng)性。

2新型整流裝置

　　由雷諾(Reynolds)實(shí)驗(yàn)我們可以知道,，流體在管道中流動(dòng)時(shí)因?yàn)轲Φ拇嬖诙a(chǎn)生兩種流態(tài)：層流與湍流,。考慮到管道內(nèi)流速分布的不均勻,，一般會(huì)在管道內(nèi)加裝整流器,，使流體通過(guò)整流器后，流速分布狀況得到顯著改善,。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)超聲波氣體流量計(jì)管道內(nèi)的整流器,，提出了一種包括整流器的開孔大小、開孔個(gè)數(shù),、開孔位置等的設(shè)計(jì)方法,。

　　根據(jù)普朗特流速分布經(jīng)驗(yàn)公式（式（1））可知，在不同流體狀態(tài)下,，流速分布是不同的,。

　　Vr=Vm(1－r2R2)，Re≤2 300,，層流狀態(tài)

　　Vm(1－rR)1n,，Re≥4 000，湍流狀態(tài) （1）

　　式中,，Vr為流體距離軸芯線r處的沿軸線方向的面平均流速,；Vm為流體在軸芯線上的流速值（為Vr的最大值）,；R為管道的半徑；n為流速分布指數(shù),，它與管道內(nèi)的流體雷諾數(shù)Re有關(guān),，如公式（2）所示。

　　n=2lg(Ren)－0.8（2）

　　根據(jù)普朗特流速分布經(jīng)驗(yàn)公式可以建立在湍流狀態(tài)下的流速分布等效模型,，如圖1所示,。

　　假設(shè)流體處于湍流的臨界狀態(tài)，即Re=4 000,，此時(shí)根據(jù)公式（2）可以計(jì)算得到流速分布指數(shù)n=5,；以管道軸芯線為豎坐標(biāo)，管道半徑為橫坐標(biāo),，建立轉(zhuǎn)換模型,，如圖2所示，豎坐標(biāo)表示氣體流速,，橫坐標(biāo)表示距離軸芯線的距離,。

　　首先確定整流器開孔位置及開孔個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)為由對(duì)稱環(huán)形分布的32個(gè)鉆孔組成,，孔的尺寸是管道內(nèi)徑D的函數(shù),。(1)0.25D±0.002 5D節(jié)圓直徑上，一圈4個(gè)孔,；(2)0.50D±0.005 0D節(jié)圓直徑上,，一圈8個(gè)孔；(3)0.65D±0.006 5D節(jié)圓直徑上,，一圈4個(gè)孔,；(4)0.75D±0.007 5D節(jié)圓直徑上，一圈8個(gè)孔,；(5)0.85D±0.008 5D節(jié)圓直徑上,，一圈8個(gè)孔。然后確定各節(jié)圓直徑上開孔的直徑,，根據(jù)普朗特流速分布公式可以求得在各節(jié)圓直徑上的流速V1,、V2、V3,、V4,、V5，并求得位置與流速對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示,。

　　加裝整流器的目的是使經(jīng)過(guò)整流后的流量分布均勻,，即通過(guò)整流器后的體積流量是均勻的，假設(shè)流過(guò)節(jié)圓直徑開孔的流速等于節(jié)圓直徑上的流速,，各節(jié)圓直徑上開孔的總面積分別為A1,、A2,、A3、A4,、A5,，根據(jù)體積流量計(jì)算公式（3）,，流過(guò)各節(jié)圓直徑上開孔的體積流量相等,。

　　Q=VA（3）

　　式中：Q為體積流量，V為流體流速,，A為過(guò)流橫截面積,。

　　根據(jù)普朗特流速分布公式代入，可以得到公式（4）,。

　　A1=0.86A3

　　A2=0.93A3

　　A4=1.07A3

　　A5=1.19A3 （4）

　　由于整流器是安裝在管道內(nèi)的,，因此開孔面積與管道橫截面積A有關(guān)。假設(shè)開孔總面積為1/2A,，根據(jù)公式（4）計(jì)算得到A3=0.1A,。同理可以計(jì)算A1、A2,、A4,、A5與總面積A的關(guān)系。

　　根據(jù)各節(jié)圓直徑上開孔個(gè)數(shù)以及圓的面積計(jì)算公式可以得到各節(jié)圓直徑上開孔的孔直徑分別表示為d1,，d2,，d3，d4,，d5,分別等于0.147D,，0.108D，0.158D,，0.116D,，0.122D。確定好各節(jié)圓直徑上開孔數(shù)目以及開孔直徑后,，需要確定開孔在節(jié)圓直徑上的開孔位置,，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，開孔位置如圖3所示,。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本實(shí)驗(yàn)測(cè)量模型如下：

　?。?）測(cè)量管道模型直徑D固定；（2）氣體經(jīng)過(guò)彎道形狀固定,，到達(dá)下游測(cè)試前直管道（整流裝置安裝在直管道的最前端）距離長(zhǎng)短不同,，分別為3D、5D,、10D,、20D,、30D、40D,；（3）測(cè)量區(qū)管段（安裝超聲波測(cè)量聲道的管道長(zhǎng)度）長(zhǎng)度固定,；（4）經(jīng)過(guò)測(cè)量區(qū)后的氣態(tài)出口緩沖區(qū)管道長(zhǎng)度固定為20D。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示,。

　　以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明：（1）比較上述6個(gè)距離處測(cè)量值可以看出,，當(dāng)測(cè)量表體安裝在距離出口10D管徑之后時(shí)，其流場(chǎng)分布區(qū)域平穩(wěn),；（2）將其與無(wú)整流器的情況進(jìn)行比較,，發(fā)現(xiàn)其流線延軸向的旋轉(zhuǎn)速率變緩，而且速度較為均衡的區(qū)域變多,；（3）通過(guò)自行設(shè)計(jì)的整流裝置效果對(duì)比,，發(fā)現(xiàn)整流裝置對(duì)管道紊流氣態(tài)有非常大的穩(wěn)定作用，大大提升了儀表測(cè)量精度,。

4結(jié)論

　　本文通過(guò)理論計(jì)算實(shí)現(xiàn)了一種氣體流量計(jì)的整流裝置,，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該裝置能有效提高氣態(tài)平均分布，提高儀表測(cè)量精度,。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 溫靜馨, 郝建秀, 王淮中. 新型超聲波氣體流量計(jì)［J］. 微型機(jī)與應(yīng)用,2010,29(9):25-27.

　　［2］ LAI Y G, SO R M C, ZHANG H S. Turbulencedriven secondary flows in a curved pipe［J］.Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 1991,3(3):163-180.

　?。?］ HILGENSTOCK A, ERNST R. Analysis of installation effects by means of computational fluid dynamicsCFD vs experiments?［J］. Flow Measurement and Instrumentation, 1996, 7(3):161-171.

　?。?］ LIM K W, CHUNG M K. Numerical investigation on the installation effects of electromagnetic flowmeter downstream of a 900 elbowlaminar flow case［J］. Flow Measurement and Instrumentation, 1999(10):167-174.

　　［5］ 胡春華. 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的研制及流暢適應(yīng)性研究［D］.杭州:浙江理工大學(xué),2015.

　?。?］ 鄭丹丹. 單聲道超聲波流量計(jì)不同聲道布置形式的流場(chǎng)適應(yīng)性［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào),2014,47(8):703-710.