多聲道超聲流量計在雙彎管流場(chǎng)中的適應性研究

    0 引言

    多聲道超聲波流量計以其高精度、高可靠性、測量范圍寬及非接觸式測量等優(yōu)點(diǎn)，成為目前國內外主要研究方向和熱點(diǎn)之一。為了從根本上解決流量計對流場(chǎng)狀況非常敏感的問(wèn)題，進(jìn)一步提高超聲流量計的測量精度，不僅要通過(guò)信號處理的方法來(lái)提高儀表性能^{[1-2]_，}還必須對流場(chǎng)流動(dòng)特性進(jìn)行深入細致的研究，以充分發(fā)揮一次儀表的性能改善潛力^[3]_。本文針對超聲波流量計在雙彎管流場(chǎng)中的適應性問(wèn)題，研究平行式和對角式的多聲道布置方式在流場(chǎng)中的誤差-角度曲線(xiàn)，從理論上為超聲波流量計的實(shí)際安裝提供合適的安裝角度和安裝方式，為超聲波流量計在實(shí)際流場(chǎng)中的精確安裝提供了理論依據。

    1 誤差計算

    多聲道系統的流量是將各個(gè)聲道的平均流速 用權重系數w_i經(jīng)過(guò)加權之后獲得的，體積流量可以表達為^[4]_：

    因此多聲道系統受流動(dòng)分布的影響也要根據各個(gè)聲道不同的權重w_i來(lái)加權計算^[4-5]_。

    式中：e_i為單個(gè)聲道的誤差；n為聲道數量。

    由于不同的聲道布置方式下的權重分配有很大的不同，這里僅對對角式和平行式的聲道布置方式進(jìn)行討論。對于對角式的分布，其權重系數w_i=1。對于平行式的分布，本文將采用高斯積分法對聲道布置的計算進(jìn)行研究。高斯積分法的聲道數量、聲道安裝位置、權重的分配都由設計者事先安排好，這種設計方法的優(yōu)點(diǎn)在于設計思路清晰，也不需要關(guān)于流場(chǎng)的速度分布信息^[6]_。

    按照高斯積分的布局和權重進(jìn)行分配^[7-8]_，其對應的聲道相對位置r_i/R及權重系數w_i如表1所示。

    表中：r_i為第i個(gè)聲道的分布位置；R為管道半徑；

    單個(gè)聲道的誤差為^[9]_：

    式中：u_max為管道內軸向的最大速度；r為管道內計量半徑（r∈[0，R]）；R為管道半徑；n為對應雷諾數系數。

    2 雙彎管流動(dòng)對多聲道超聲流量計的影響

    雙彎管的結構如圖1所示，其中A為被觀(guān)察截面，距離彎管后部19R。

    2.1 雙彎管流動(dòng)對對角式聲道布局的影響

    多聲道超聲流量計對角式聲道布置方式如圖2所示。

    由于不同的聲道安裝角度θ（水平位置為0°，依順時(shí)針旋轉0～2π）在同一流場(chǎng)下具有不同的表現，根據式（2），可得到如圖3所示的誤差-角度關(guān)系。

    從圖中可以看出，在雙彎管流動(dòng)下，對角式的聲道布局理論上不存在誤差為零的安裝角度，但存在誤差最小的安裝角度。另外，此安裝方式的誤差較小，但始終存在正向偏差，出現這種情況的原因在于雙彎管流場(chǎng)二次流速度的徑向分量始終與聲道基本保持平行狀態(tài)^{[10-11]_，}對測量到的管道聲速誤差產(chǎn)生了持續累計的效果。

    2.2 雙彎管流動(dòng)對平行式聲道布局的影響

    平行式一般多采用三聲道和四聲道的布置方式，其布局如圖4（a）、5（a）所示。通過(guò)計算，得到平行式多聲道布置的誤差-角度關(guān)系如圖4（b）、5（b）所示。

    從圖中可以看出：首先，在雙彎管流動(dòng)下，平行式的聲道布局理論上也不存在誤差為零的安裝角度，但存在誤差最小的安裝角度。其次，此安裝方式也存在正向偏差，并且隨著(zhù)聲道的增加，誤差有變大的趨勢。這主要是由于在雙彎管流動(dòng)下，由于雙彎管的流動(dòng)特性，導致隨著(zhù)聲道數的增加，使得測量到的管道聲速誤差的累計效果增強。所以如果選用平行式的聲道布置方式，無(wú)需過(guò)多地增加聲道數量。第三，相對于對角式的聲道布置，平行式布置的誤差較大，這主要是由于對角式的布置，其兩個(gè)聲道的數據存在90°度的相位偏差，可以通過(guò)兩數據的相互補償有效提高測量精度。

    3 結論

    通過(guò)以上多聲道布置方式在雙彎管流動(dòng)下的誤差-角度關(guān)系可以看出，誤差的變化具有周期性變化的特點(diǎn)。因此當采用某種固定的安裝方式時(shí)，通過(guò)調整超聲波流量計的安裝角度可以在最大程度上降低因為流場(chǎng)擾動(dòng)產(chǎn)生的誤差。

    在實(shí)際安裝時(shí)，如無(wú)法精確確定安裝角度，則采用對角式的多聲道布置，其流量測量精度優(yōu)于平行式的聲道布置。

    以上兩種多聲道安裝方式均不存在理論測量誤差為零的安裝角度，這主要是由于雙彎管流場(chǎng)的特性所致^[9]_。

    參考文獻

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