探头局部扰流对超声流量计测量结果影响

陈文琳，武建军，丁 昭

(1.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000; 2.新疆维吾尔自治区计量测试研究院，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引 言

20世纪90年代以来，超声波技术开始应用于气体流量测量领域。随着计算机应用技术的飞速发展，气体超声流量计在天然气工业中的应用得到了突破性的进展[1]。气体超声流量计具有准确度高、测量范围宽、无阻流部件造成的压力损失、可双向测量流量、能测量稳态及低频脉动气流的流量、适用于各种不同管道直径等特点，是近些年在高压、大流量天然气流量计量领域中发展最迅速的新型流量计[2-3]。

国际电工委员会的 IEC41和美国机械工程师协会的 PTC18中给出了多声道超声流量计的声道安装高度和流量计算权重系数。超声流量计的流量计算权重系数是根据无探头管道的流场计算得到的，实际探头安装情况会改变声道测量范围并扰动流场，给流量计测量结果引入误差。PTC 18-2011指出：超声流量计插入式探头相对于管道内壁凹陷或凸起会对测量产生影响。凹陷会使流场产生扭曲变形；凸起会使测量声道的流速不完整，均导致测量值偏低[4]。郑丹丹团队通过计算流体动力学数值仿真研究发现，探头全伸和全缩时都会造成流量测量的负误差，沿各声道均会产生负速度，但由于二者产生机理不同造成负速度出现的位置也不同[5]。两个安装位置相比，探头全伸比全缩测量效果更好[6]，而换能器对流场的节流作用使得采用交叉声道布置形式、换能器全部插入管道时的测量效果最好[7]，测量误差最小。胡岳等针对探头扰动提出简化模型，根据简化模型给出探头扰动误差估算方法，进行了数值仿真研究。结果表明，探头扰动造成的测量负误差随着超声流量计直径减小迅速增大。DN100 mm多声路超声流量计中探头扰动造成的测量误差达到-5%，且误差随雷诺数的变化率比 DN500 mm多声路超声流量计大[8]。B.Wang等人采用数值模拟和实验相结合的方法，研究了换能器安装位置对超声波流量测量精度的影响，找出了最佳安装位置。还通过计算流体动力学（CFD）分析研究了路径数和管径对最佳安装位置流量测量精度的影响，发现换能器安装对较短超声路径的速度影响较大管径越大，偏差越小，且误差随着路径数的增加而减小[9]。Chen Desheng等人提出了一种V型双声道布置结构的DN25型超声波气体流量计，仿真结果表明第一对换能器的安装结构会影响其后面换能器的信号传播。因此，根据流场分布对超声波信号进行处理，采用不同的加权算法，获得准确的管道流量对提高超声波流量计的测量精度至关重要[10]。马雪林等对DN200 mm的5声道超声流量计进行了流-声耦合的数值模拟研究，定量分析了不同声道截面下流速分布、换能器端面的声压信号分布，分析声波与管壁之间的相互作用及其对信号传输的影响，得到该模型下不同流速时的系统计算误差[1]。

现有的针对探头安装方式对超声流量计测量结果影响的研究多针对液体超声流量计，且多以CFD数值仿真研究为主，缺少相应的实验数据支撑与验证。本文在高压气体环道装置上分别针对DN100 mm和DN200 mm的双面八声道超声流量计进行实验，分析探头安装方式引入的误差，并比较不同压力下探头安装方式带来的误差的变化情况。

1 实验内容设计

1.1 实验用双断面八声道超声流量计

超声波在流动的流体中传播时，沿着逆流和顺流传播所用的时间不同，这个时间差反映流体流速的信息，这就是时差法超声流量计的测量原理[11]。为了提高超声流量计的测量准确度, 在待测截面上平行地布置多条声路, 获得的声路速度可以代表待测截面上相应平行条带内的平均速度，综合各声道位置信息，通过加权积分的方法计算出管道内的流量[12]，如下：

式中：A——管道横截面积；

——面平均速度；

R——管道半径；

Wi——声道i的权重系数；

vi——通过时差法在声道i上测得的线平均速度；

n——声道个数。

多声道超声流量计能够解决单声道速度分布修正系数不确定度大的问题[13]，降低对流动干扰和非理想流场的敏感性[14]，比单声道超声流量计测量精度更高[15]。目前大口径天然气输气管道所使用的流量计基本上都是多声道超声流量计[16-17]。

本次实验采用平行布置的双断面8声道超声流量计，其声道布置如图1所示。在1、2两个断面内分别平行布置4个声道，从上到下四个声道分别为A、B、C、D，各声道与管道轴线的夹角为60°。实验过程中获得各声道上的流速后，通过式（1）计算管道内的流量，与标准装置显示的参考流量Qref进行比较，获得测量误差E。平行四声道时A、D声道的权重系数为0.138 2，B、C声道的权重系数为0.361 8，双面八声道取两个断面的平均值，则各声道的权重系数减半。双面声道的布置形式在一定程度上可以减小旋涡、横向流等扰流的影响，提高测量结果准确度。

图1 实验用超声流量计声道位置示意图

1.2 实验过程

实验在中国计量科学研究院高压环道空气流量标准装置上完成。该环道装置由4台气体涡轮流量计作为标准器，压力范围为0.2～2.5 MPa、流量范围为20～1 600 m3/h，不确定度为0.20 % (k=2)。其中DN100 mm的超声流量计分别在0.36 MPa、1.3 MPa、2.5 MPa的管道压力下，选取相近的流量点进行实验；而DN200 mm的超声流量计则分别在0.69 MPa、1.3 MPa、2.5 MPa的管道压力下选取相应流量点完成实验。实验过程中超声流量计上游安装有流动调整器[18]，且前后直管段长度满足要求，保证最大程度上降低安装条件对实验结果带来的影响。同时标准装置上有热交换机，可以控制实验过程中的介质温度变化不超过±0.5 ℃，满足标定需求。

2 实验结果讨论

图2以对数刻度的雷诺数为横坐标，测量结果为纵坐标，展示了DN100 mm和DN200 mm超声流量计的测量结果。从图中可以看出，由于探头局部扰流带来的影响，超声流量计的测量结果均为负误差。总体上，DN100 mm的超声流量计的测量误差在-1.5%～-3%之间，而DN200 mm的误差较小，在-1.3%～-2.1%之间，说明探头局部扰流对小口径的流量计影响更为明显。

图2 不同口径的超声流量计的测量结果

同时也可以看出，以雷诺数的对数为横坐标时，DN100 mm和DN200 mm超声流量计的测量结果呈现出不同的变化趋势，需进一步进行分析。

2.1 DN100 mm的超声流量计测量结果分析

图3以介质流速为横坐标、测量误差为纵坐标，展示了DN100 mm超声流量计的测量误差，结果表明：相近流速点处，测量误差随着管道压力的增加而增加；而相同压力下，测量误差则随着流速的增大而负向递增，但增速逐渐变缓。

图3 DN100 mm 超声流量计在不同压力下的测量结果

通过最小二乘法曲线拟合可以看出，DN100 mm超声流量计的测量误差与流速之间可以用二次多项式的方式进行拟合，拟合公式模型为：

其中，不同压力下拟合曲线的常数项c均为负值，可以体现出探头局部扰流对超声流量计测量结果产生负向误差的影响；同时，常数项c随着压力的增大而负向增大，也与实际结果一致。

表1为文献[8]中报道的介质为常温常压空气时DN100 mm的交叉四声道超声流量计的实流实验结果，该结果与本文的研究结果相比，误差变化趋势基本一致，流速增大至一定值后，误差基本保持不变，甚至开始减小，与2.5 MPa下的实验结果一致。但其测量误差略大于此次高压气体流量的实验结果。实验结果的差异来源，一方面是探头大小不同，文献中的探头直径为18 mm，本文实验用超声流量计探头直径为12 mm，探头直径大导致回流更明显，测量误差向负向偏移；另一方面是积分方法不同引入的测量误差之间的差异。

表1 DN100 mm交叉四声道超声流量计实流实验结果[8]（常温常压空气）

2.2 DN200 mm的超声流量计测量结果分析

图4展示了DN200 mm的超声流量计受探头局部扰流影响的实验结果。与DN100 mm的超声流量计的测量结果类似，相近流速点处，测量误差则随着管道压力的增加而增加。但与图3呈现的结果略有不同的是，在相同压力下，测量误差并未随着流速的增大而负向单向递增。结合图2可以看出，三种不同压力下，均以雷诺数Re=1×106左右为分界点，雷诺数小于分界点时，测量误差均随着流速的增加而增大，当雷诺数大于分界点时，测量误差变化幅度变缓，甚至呈现随着流速的增大误差降低的现象。

图4 DN200 mm 超声流量计在不同压力下的测量结果

同样对测量结果进行曲线拟合，可以看出，DN200 mm超声流量计的测量误差与流速之间也可以通过二次多项式拟合得到较好地呈现。

2.3 结果讨论

此次实验用超声流量计的探头安装方式如图5所示，探头安装位置有凹槽，探头中心处与壁面齐平，属于相切式安装，这种安装方式不会影响声道线的长度。凹槽的存在使得探头附近有死区[19]，同时流体经过上游探头凸起处时，会使探头附近产生回流[5-6]，这是因为换能器上游流经管道壁面的流体在突然经过换能器安装所引起的凸起或凹陷部分时，受到剪切力的影响而在换能器附近形成一定的速度梯度[1]，导致各声道的线平均速度减小。因此，流量测量值偏小，测量误差为负。声道A/D的声道线较短，且探头安装过程中凸出的更为明显，因此受探头局部扰流的影响更为显著，而靠近管道中心线的B/C声道受到的影响则相对较小。

图5 探头安装方式

DN100 mm和DN200 mm超声流量计的探头直径相同，因此，管道口径越小，探头带来的影响也更明显，流量计测量误差随雷诺数（或流速）的变化率也更大。而DN200 mm的超声流量计测量误差随着流速的增加有所降低，这是由于管径较大，流速增加时上游探头附近产生的回流逐渐远离声道线，因此对测量结果的影响有所降低。同时由于流体自身相互作用而产生动力声源，使换能器凹槽处停滞的流体发生振动，形成噪声，从而对超声波流量计的测量精度产生一定的影响。

3 结束语

在高压空气流量标准装置上不同压力、不同流速点下对DN100 mm和DN200 mm的超声流量计进行标定，结果表明，探头局部扰流会对超声流量计测量结果产生影响，此次有凹槽的相切式探头安装方式会使超声流量计产生负误差，且管径越小，这种负向误差越大，同时小口径超声流量计测量误差随雷诺数的变化率更大，使用过程中需要进行误差修正。

基于流速和测量误差对实验结果进行曲线拟合，结果表明超声流量计测量误差与流速之间的关系可以多项式的形式呈现。这也进一步说明，探头局部扰流对超声流量计测量结果的影响较为复杂，需要通过大量实验进行验证。

多声道超声流量计由一定声道范围内的一条声道线代表此范围中的平均流速，因此，积分方法也必然会对测量结果产生一定影响[13]，此次实验过程中未考虑积分方法的误差来源，后续的实验中，会进一步对这方面的影响进行分析。