单声道超声流量计在单弯管流场中的适应性研究

　　超声波流量计对流场状况非常敏感,但是目前研究重点主要集中于二次仪表,即如何利用现代检测技术通过信号处理的方法来提高仪表性能[1][2]。如果要进一步提高超声流量计的测量精度,必须对流场流动特性进行深入细致的研究,这样才能从根本上解决问题,并充分发挥一次仪表的性能改善潜力[3]。本文针对超声波流量计在单弯管流场中的适应性问题,研究几种单声道布置方式在单弯管流场下的误差-角度曲线,从理论上为超声波流量计的实际安装提供合适的安装角度和安装方式。

　　1　误差计算

　　评估流动对不同声道系统影响的主要方式是计算因为非理想流动导致的流量系数偏差。现假设理想状

　　在流场保持不变的情况下,由于弯管的影响,管道内的轴向速度在横、纵剖面上的分布并不一样[5]。根据式(5),取n=4,即雷诺数为1×104的湍流流场(当管道内雷诺数达到0·4×104以上时,可以认为已经进入湍流状态。雷诺数在104左右时,湍流流场最复杂[6]),得到其截面上的流速分布如图2、3所示。

　　2·1单弯管流动对直射式声道布局的影响

　　单声道超声波流量计的声道布置方式主要有直射式和折射式两种。对于直射式的单声道布局,主要有径式和弦式两种,如图4所示。

　　由于不同的声道安装角度ω(水平位置为0°,依顺时针旋转0 ~2π)在同一流场下具有不同的表现[7][8],因此在流场保持不变时,考察不同弦位置h(弦与圆心的距离)及ω在0~2π区间内变化时,直射式单声道布置在流场中的不同表现。根据式(6),可得到如图5所示的误差-角度关系。

　　从图5中可以看出,对于径式安装的直射式单声道布置,其测量涵盖了整个截面速度场,误差在整个速度场内有规则的波动,并且对整个流场具有良好的表现能力,如图5(a)所示。对于弦式安装的直射式单声道布置,当h=0·3R时误差相对较小,但是误差分布不规则,如图5(b)所示;当h=0·5R时误差相对较大,但分布却比较规则,如图5(c)所示。

　　其原因主要是由于流场边界是速度场变动比较剧烈的区域,流场本身的速度分布比较复杂,所以单声道的弦式安装方式增强了局部流场的表现能力。总的来说,在权衡流场测试能力和测量误差的情况下,若无特殊测量要求,径式安装的直射式单声道布置方式更为理想。

　　2·2　单弯管流动对折射式声道布局的影响

　　对于折射式的布置方式,通过在内壁上的多次折射可以增加声道的长度,从而获得更多截面上的流动信息,提高单声道流量计的计量准确性。折射式的单声道布局如图6 (a)、7 (a)、8 (a)所示。通过计算,得到折射式单声道布置的误差-曲线关系如图6(b)、7 (b)、8 (b)所示。