反射装置对超声波流量计水流特性影响的研究

　　1　引　　言

　　时差式超声波流量计[1]是应用最普遍的超声波流量计之一。传统的时差式超声波流量计过流通道多为圆形直管段,根据过流通道内超声波反射装置的不同,声路的布置方式有V法、Z法、U法、W法等。声路的不同会影响超声波传播距离(声程)、超声波反射强度、方向性等[2-3],从而影响超声波流量计的测量精度及稳定性。其主要原因是在超声波流量计过流通道内加装超声波反射装置本身就是对流动的扰动,造成过流通道内流体流动特性复杂,对测量精度产生影响。因此,研究超声波反射装置对超声波流量计过流通道内水流特性的影响,从而提高超声波流量计的测量精度与稳定性是十分必要的。

　　时差式超声波流量计测量出的是超声波传播路径上流体的线平均流速,而不是测量流量所需要的管道横截面上的面平均流速,因此在计算流量时需要采用K系数法进行修正[4-6]。K系数定义式为超声波传播路径上的流体线平均流速v与管道横截面上的流体面平均流速u的比值。超声波流量计加装超声波反射装置后,应尽量使超声波声路上的K系数受影响较小,能够较稳定的保持在某一值附近。研究以K系数标准差[7]作为衡量不同超声波反射装置优劣的主要依据,研究了反射片与管壁的间隙、反射片轴向距离以及渐缩通道对K系数的影响,并给出了相关规律。

　　2　超声波反射装置

　　研究所采用的超声波反射装置为U型反射,其工作原理如图1所示,发射换能器发出的超声波经两个超声波反射片反射后,被接收换能器接收,完成一次测量。超声波反射片在中心轴线上的距离为L,与中心轴线的夹角为45°,由表面光滑的金属合金制成,对超声波具有很强的反射作用。超声波传播路径如图中虚线所示。实际工作中,超声波反射片是以一定的方式固定在过流通道内的。

　　根据实际应用的超声波反射装置的安装情况,本文主要从以下几个方面研究其对过流通道内水流特性的影响:

　　1)反射片与管壁的间隙对K系数的影响

　　采用4支臂反射片,支臂均布,反射片在中心轴距上的距离L=40D/14(D为过流通道直径),其结构如图2所示,反射片在流速方向上的投影如图3所示,其中d=9D/14。反射片支臂外沿(图3中虚线所示)在过流通道的壁面上。取间隙分别为3D/28、4D/28、5D/28、6D/28、7D/28,研究反射片与过流通道管壁之间的间隙变化时通道内的水流特性。

　　2)反射片轴向距离对K系数的影响

　　使用1)中反射片的模型,d的尺寸为9D/14不变,只改变反射片在中心轴线上的距离L,分别取值为35D/14、40D/14、45D/14、50D/14,研究反射片的距离改变时流道内的水流特性。