超声波气体流量计的管道模型仿真和误差分析

　　1 引 言

　　近年来，作为工业检测系统中重要的测量仪表，超声波流量计呈现出飞速发展的趋势。据统计，超声波流量计年均销量已超过 3 亿美元，市场占有率已超过整个流量计市场总量的 10%，而且还在逐年递增[1]。超声波气体流量计自 20 世纪 70 年代问世以来，凭借其准确度高、重复性好、无可动部件、本体无压损等特点越来越受到工业界的关注。然而，超声波气体流量计在测量方面仍存在很多难以克服的技术问题：如声学噪声干扰严重、信号衰减幅度大、信号不稳定等[2]。这些问题的存在严重制约了产品的计量精度、稳定性、重复性等基本指标，阻碍了产品化的发展。

　　鉴于市场的迫切需求，目前国内外超声波气体流量计发展的重心已逐步转移到误差因素分析、系统结构优化等深层次领域。研究方向主要集中于 3 个方面：流场适应性分析、信号检测优化以及采集信号处理技术。其中，管道流场的优化设计是提高超声波气体流量计测量精度的一种有效方法。尽管目前国际上已有文献对此进行了初步的理论和实验研究[3-5]，但还缺乏系统和定量的分析，一些分析结果难以推广和应用。针对上述问题，本文提出了采用计算机建模和仿真技术并结合实验结果，定量地分析传感器上游弯管作用下，下游直管段中流量测试精度与弯管角度、雷诺数、管径、检测位置以及管壁粗糙度之间的关系。该研究方法通过后续工作的完善可以进一步推广到其他类型的超声波气体流量计的结构优化设计和误差分析领域，对不断提高该传感器的设计精度和实际工程应用将起到重要的推动作用。

　　2 超声波气体流量计工作原理简介

　　一款基于双探头单通道的时差法超声波气体流量计如图 1 所示。通过测量超声波在气体流场中顺流、逆流的传播时间 t_、t+，声道与管壁倾角θ，管道横截面积 A，求解方程(1)、(2)导出管道瞬时流速 vultra与体流速 Q：

　　实验和理论推导均证明，流场修正系数 K(用公式符号 K)对于超声波气体流量计的测量精度起着至关重要的作用。通常我们认为 K 的数值很大程度上取决于雷诺数、管道流场的状态以及流量计的安装条件等因素。本文利用实验技术与仿真结果的对比，论证了管道数值仿真的可行性，借助 CFD 软件，重点研究分析了影响流场修正系数K 的几种流场参量与管道流量测量误差之间的关系。

　　3 管道的建模和数值模拟

　　3.1 仿真模型建立

　　实际管路系统中弯管作为最基本的结构件通常安装在测量管段的上游，阀门、整流器等其他阻流元件均可等效简化为弯管及接头的组合情况。出于简化模型的考虑，本文重点分析弯管对管路流场的影响，建立的 3-D管道模型如图 2 所示。