超声波流量测量影响因素的研究

赵文明 邵仙鹤 王 玲 佟少强

(哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院1，山东 威海 264209;威海嘉茂电子科技有限公司2，山东 威海 264209)

0 引言

流量计量作为计量科学的组成部分，与国民经济、国防建设、科学研究有着密切的关系。高精度的流量计量对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展均具有重要的作用。传统的机械式流量测量仪表具有适应性较差、结构复杂、安装维护不方便、需接触式测量等缺陷。相比之下超声波流量计则具有计量精度高、对管径的适应性强、灵敏度好、使用方便、易于数字化管理等优势［1］。正是由于超声波流量计具有的诸多优势，使得其成为了当今流量计量的主流。本文就影响超声波测量精度的主要因素进行了分析。

1 时差法超声波流量测量原理

基于超声波测量流量原理的方法主要有传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、流速-液面法等多种方法，这些方法各有特点，但在工业应用中以传播速度法最为普遍［2－5］。其中，时差法测流量就是传播速度法中的一种，利用超声波在流体中顺向和逆向传播速度不同这一特点，通过计算超声波顺逆向传播时间差求出流体的速度，再根据管路的截面积和累计时间，最终求出通过管路流体的流量。

超声波流量计的核心器件为换能器，用来实现电信号和超声波信号的转换。考虑到超声波在流体中传输的时间差大小对测量精度的影响，所以在实际设计中，换能器的安装方式受管路粗细影响，一般分为同侧和异侧两种安装方式。

1.1 同侧安装

对于较细管径的管路来说，一般选用同侧U型安装，换能器安装到管路的同一侧，在管路内部安装两个反射片，用于转换超声声路。同时内部进行缩径，这样可以放大流体流速，获取更大的时间差，提高测量精度。

通过计算，可得到流体流速的近似计算公式为:

式中:v为流体流度，m/s;c为超声波在静态流体中的传播速度，m/s;Δt为超声波在流体中顺逆向传播时间差，s;L为超声波沿管路方向的传输距离，m。

1.2 异侧安装

由于同侧安装内部的反射面和缩流管会阻碍流体流动，所以对于管径较粗的管路，如果声程满足测量要求，则采用异侧安装，即换能器安装在管路两侧，并采用对射方式进行测量。同样可以得到流体流速的近似计算公式为:

式中:D为管路管径，m;θ为换能器安装倾角。

在换能器安装确定以后，式(1)中的超声波沿流体流动距离L和式(2)中的管径D以及换能器安装倾角θ，可以认为是固定不变的，流体流速就是正逆向的传播时间差Δt和超声波传播速度c的函数。传播时间差Δt为测量值，取决于我们测量硬件的精确度;所以超声波传播速度c的精确度将直接影响流速v的精确度。

2 超声波传输速度在流体中的影响

超声波在流体中的传播速度受流体介质和温度两个因素影响，但在实际应用中，介质一般固定。本文以纯净水为例，就温度对超声波传输速度的影响进行分析［2］。

一般而言，常温下超声波在水中的传播速度约为1500 m/s［3］。然而超声波在水中的传输速度并不是一成不变的，它随温度变化而变化。在纯净水中，超声波传输速度随温度呈现非线性变化，其变化趋势如图1所示。

图1 超声波速度变化曲线Fig.1 Varying curve of ultrasonic velocity

由图1可以看出，速度的最大值和最小值之间的差值达到150 m/s，0℃时的超声波传输速度最低，为1407.71 m/s;74 ℃ 时达到最大值 1555.47 m/s，温度再升高后速度反而呈下降趋势;100℃时超声波传输速度为1543.41 m/s［6］。当不考虑对超声波传输速度进行温度修正时，分别以0℃和74℃作为基准，传播速度偏差将达到22%;如果以常温下传输速度1450 m/s作为标准，将产生高达15%的偏差。对于精准的流量测量，这个偏差是不能接受的，所以在采用超声波进行流量测量时，必须要考虑温度对超声波传播速度的影响，从而消除超声波传播速度对流体流速测量的影响。

3 流体流动状态的影响

按照式(1)和式(2)计算得到的流速v是流体在管路中的线流速，在计算流体流量的过程中，我们需要将获取到的线流速转换为流体在管路中的面流速。由于管路内流体流动状态的不同，面流速并非简单的线流速与管路截面积的乘积。我们往往通过将线流速乘以转换系数 k(k为线流速和面流速修正系数)［6－9］，得到流体的面流速。在不能很好地完成线流速和面流速转换的情况下，流量计量也将产生很大的误差［4］。下面就流体流动状态进行分析，找出影响流体流动状态的因素。

3.1 流体流动状态分析

体现流体流动特性的参数为雷诺数，雷诺数代表惯性力和黏性力之比，雷诺数不同，这两种力的比值也不同，由此产生内部结构和运动性质完全不同的层流状态和紊流状态两种流动状态［7］。

雷诺数通过大量试验测定得到，当雷诺数Re≤2320时，管中液体流动状态为层流;当雷诺数Re＞13800时，流体状态为湍流;当雷诺数2320＜Re≤13800时，流动为不稳定的过渡状态［8］。而在不同的流动状态下，流速的分布存在差异，从而在对测量值进行修正的过程中也存在差异。

3.1.1 层流状态

在层流状态下，不同点的流速计算公式为:

式中:ur为半径r处的线流速，m/s;umax为中心点流速，m/s;R为管径，m;r为计算点到中心点的距离，m。

3.1.2 紊流状态

在紊流状态下，不同点流速的计算公式为:

式中:ur为半径r处的线流速，m/s;umax为中心点流速，m/s;R为管径，m;r为计算点到中心点的距离，m;指数n与雷诺数Re有关，根据Re的不同，可能取1/6、1/7、1/10 等。

通过以上相关流体流动特性的介绍，我们得知，流体流动特性可以通过流体在管路中流动时雷诺数的大小来判断。

在仿真过程中，通过分析流体在不同情况下的雷诺数的大小，分析相关因素对流体流动状态的影响，从而根据相应的流动状态，完成对流体流速计算的补偿，提高测量的精确度。

3.2 流体流动特性的仿真

由于管道流体流速的分布规律极其复杂，人们对流体流速分布规律的研究仅限于理想管道流体流动，因此，不能很好地了解管路内流体的流体规律。FluidFlow是一款用于计算与分析管路系统中流体的流量、压力、温度、压降以及相变状态等功能的软件，它也能够实现多种不同性质流体的管网仿真［10］。

为此，本文选择使用FluidFlow软件进行仿真，来分析相关因素对流体流动特性的影响。

4 试验数据分析

为了验证以上仿真结论，分别就温度对超声波传输速度、流速对流动状态以及温度对流动状态的影响在流量计检定装置上进行试验。试验选用DN20流量计，试验数据曲线如图2所示。

图2 试验数据曲线Fig.2 Experimental data curves

由图3可以看出，在对相关影响因素的改变产生的影响进行系数修正后，可以有效消除计量误差，从而保证流量计量的准确度。

5 结束语

本文分别就影响超声波流量测量的因素进行了分析和仿真，试验结果表明温度对超声波在流体中的传输速度有较大影响。当计算过程中不对超声波传输速度随温度进行修正时，试验数据将产生约5%的偏差;针对DN20的流量计，温度和流体流速对流体流动状态的影响将分别产生10%的偏差。理论分析与试验证明，通过充分考虑相关因素对计量的影响，并进行相应的系数修正后，可以有效地保证流量计量的准确度［11］。

［1］薛志成.谈超声波流量计在供水中的应用［J］.自动化仪表，2006，27(7):70.

［2］岑敏锐.超声波在液体中的传播速度与温度的关系［J］.物理实验，2008，28(5):39 －41.

［3］肖功纯.超声旋涡流量计不稳定性的分析［J］.自动化仪表，2000，21(11):13 －14.

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