汪宋良

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

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

　　關(guān)鍵詞：超聲波技術(shù)；氣體流量計；整流裝置；流量測量；測量誤差

　　中圖分類號：TH184文獻標識碼：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精度的整流裝置研究［J］.微型機與應用，2017,36（10）：92-93，95.

0引言

　　*基金項目：校內(nèi)科研項目（ZZX16054）

　　為滿足氣體流量計測量不斷提高要求，超聲波技術(shù)被應用于氣體流量檢測，它是繼孔板、渦輪流量計之后出現(xiàn)的第三類高精度的新興氣體檢測儀表。超聲波氣體流量計是通過超聲波脈沖沿順、逆流兩個方向上聲傳播時間不同來測量氣體的流速和流量的新技術(shù)。由于它對流體無阻力、無壓力損失、受流體物理性質(zhì)限制少以及使用簡單等特點，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)、流場適應性問題、時間測量技術(shù)等都將影響超聲波氣體流量計測量精度。流場適應性問題又是相對容易解決的技術(shù)問題，它可以細分為管道走向、管壁粗糙度、阻流件及調(diào)整器等問題。

1流程適應性研究

　　對超聲波流量計流場適應性問題的研究主要分析管道走向、調(diào)節(jié)裝置對流量檢測帶來的影響，達到最適宜于流量計安裝及檢測的條件。管道走向的變化會改變流場速度分布并使之產(chǎn)生扭曲，很多科研人員出于各種不同的目的都對這一現(xiàn)象進行過研究，相關(guān)的研究成果近年來己被成功應用于氣體超聲波流量計。1982年,ENAYET M M等人利用激光多普勒技術(shù)對單彎管流場進行了分析［1］。1991年，LAI Y G等人利用理論推導與流體動力學相結(jié)合的分析方法計算了彎管中的流體擾動問題，對流場分布給出了數(shù)值解［2］。1996年德國的科研人員HILGENSTOCK A和ERNST R將計算流體動力學與實驗技術(shù)相印證，成功地分析了超聲波流量計檢測精度與彎管流場變形之間的關(guān)系［3］。1999年，LIM K V等人探討了直角彎管中流場對電磁流量計檢測精度的影響情況，他們的實驗測量數(shù)據(jù)最遠到達彎管后部22倍直徑的距離［4］。2015年，吳春華［5］利用實驗測量系統(tǒng)測試了電路延時完成補償算法，對多個標定流量點進行了樣機實流檢測，驗證了通過測量壓力差對彎管二次流誤差修正的流暢適應性仿真結(jié)果和補償方法的有效性。2014年，鄭丹丹等人基于實流實驗與數(shù)值仿真相結(jié)合［6］，對單聲道流量計的5種聲道布置進行研究，表明聲道布置對流場適應性有一定的影響。

　　綜合國內(nèi)外學者對超聲波流量計復雜流場的研究成果，本文基于實流實驗和數(shù)值仿真相結(jié)合方法，對流場整流裝置進行系統(tǒng)研究，分別比較了多種不同的整流裝置對流場影響，提出一種新型整流結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)整流效果，提高超聲波流量計的流暢適應性。

2新型整流裝置

　　由雷諾(Reynolds)實驗我們可以知道，流體在管道中流動時因為黏滯力的存在而產(chǎn)生兩種流態(tài)：層流與湍流?？紤]到管道內(nèi)流速分布的不均勻，一般會在管道內(nèi)加裝整流器，使流體通過整流器后，流速分布狀況得到顯著改善。本設(shè)計主要針對超聲波氣體流量計管道內(nèi)的整流器，提出了一種包括整流器的開孔大小、開孔個數(shù)、開孔位置等的設(shè)計方法。

　　根據(jù)普朗特流速分布經(jīng)驗公式（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，此時根據(jù)公式（2）可以計算得到流速分布指數(shù)n=5；以管道軸芯線為豎坐標，管道半徑為橫坐標，建立轉(zhuǎn)換模型，如圖2所示，豎坐標表示氣體流速，橫坐標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數(shù)，設(shè)計為由對稱環(huán)形分布的32個鉆孔組成，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個孔；(2)0.50D±0.005 0D節(jié)圓直徑上，一圈8個孔；(3)0.65D±0.006 5D節(jié)圓直徑上，一圈4個孔；(4)0.75D±0.007 5D節(jié)圓直徑上，一圈8個孔；(5)0.85D±0.008 5D節(jié)圓直徑上，一圈8個孔。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應關(guān)系如圖2所示。

　　加裝整流器的目的是使經(jīng)過整流后的流量分布均勻，即通過整流器后的體積流量是均勻的，假設(shè)流過節(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)體積流量計算公式（3），流過各節(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）計算得到A3=0.1A。同理可以計算A1、A2、A4、A5與總面積A的關(guān)系。

　　根據(jù)各節(jié)圓直徑上開孔個數(shù)以及圓的面積計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)機械結(jié)構(gòu)的特性，開孔位置如圖3所示。

3實驗結(jié)果

　　本實驗測量模型如下：

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

　　以上實驗數(shù)據(jù)說明：（1）比較上述6個距離處測量值可以看出，當測量表體安裝在距離出口10D管徑之后時，其流場分布區(qū)域平穩(wěn)；（2）將其與無整流器的情況進行比較，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）通過自行設(shè)計的整流裝置效果對比，發(fā)現(xiàn)整流裝置對管道紊流氣態(tài)有非常大的穩(wěn)定作用，大大提升了儀表測量精度。

4結(jié)論

　　本文通過理論計算實現(xiàn)了一種氣體流量計的整流裝置，實驗數(shù)據(jù)表明該裝置能有效提高氣態(tài)平均分布，提高儀表測量精度。

參考文獻

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