多声道超声流量计在双弯管流场中的适应性研究

    0 引言

    多声道超声波流量计以其高精度、高可靠性、测量范围宽及非接触式测量等优点，成为目前国内外主要研究方向和热点之一。为了从根本上解决流量计对流场状况非常敏感的问题，进一步提高超声流量计的测量精度，不仅要通过信号处理的方法来提高仪表性能^[1-2]_，还必须对流场流动特性进行深入细致的研究，以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双弯管流场中的适应性问题，研究平行式和对角式的多声道布置方式在流场中的误差-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，为超声波流量计在实际流场中的精确安装提供了理论依据。

    1 误差计算

    多声道系统的流量是将各个声道的平均流速 用权重系数w_i经过加权之后获得的，体积流量可以表达为^[4]_：

    因此多声道系统受流动分布的影响也要根据各个声道不同的权重w_i来加权计算^[4-5]_。

    式中：e_i为单个声道的误差；n为声道数量。

    由于不同的声道布置方式下的权重分配有很大的不同，这里仅对对角式和平行式的声道布置方式进行讨论。对于对角式的分布，其权重系数w_i=1。对于平行式的分布，本文将采用高斯积分法对声道布置的计算进行研究。高斯积分法的声道数量、声道安装位置、权重的分配都由设计者事先安排好，这种设计方法的优点在于设计思路清晰，也不需要关于流场的速度分布信息^[6]_。

    按照高斯积分的布局和权重进行分配^[7-8]_，其对应的声道相对位置r_i/R及权重系数w_i如表1所示。

    表中：r_i为第i个声道的分布位置；R为管道半径；

    单个声道的误差为^[9]_：

    式中：u_max为管道内轴向的最大速度；r为管道内计量半径（r∈[0，R]）；R为管道半径；n为对应雷诺数系数。

    2 双弯管流动对多声道超声流量计的影响

    双弯管的结构如图1所示，其中A为被观察截面，距离弯管后部19R。

    2.1 双弯管流动对对角式声道布局的影响

    多声道超声流量计对角式声道布置方式如图2所示。

    由于不同的声道安装角度θ（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，根据式（2），可得到如图3所示的误差-角度关系。

    从图中可以看出，在双弯管流动下，对角式的声道布局理论上不存在误差为零的安装角度，但存在误差最小的安装角度。另外，此安装方式的误差较小，但始终存在正向偏差，出现这种情况的原因在于双弯管流场二次流速度的径向分量始终与声道基本保持平行状态^[10-11]_，对测量到的管道声速误差产生了持续累计的效果。

    2.2 双弯管流动对平行式声道布局的影响

    平行式一般多采用三声道和四声道的布置方式，其布局如图4（a）、5（a）所示。通过计算，得到平行式多声道布置的误差-角度关系如图4（b）、5（b）所示。

    从图中可以看出：首先，在双弯管流动下，平行式的声道布局理论上也不存在误差为零的安装角度，但存在误差最小的安装角度。其次，此安装方式也存在正向偏差，并且随着声道的增加，误差有变大的趋势。这主要是由于在双弯管流动下，由于双弯管的流动特性，导致随着声道数的增加，使得测量到的管道声速误差的累计效果增强。所以如果选用平行式的声道布置方式，无需过多地增加声道数量。第三，相对于对角式的声道布置，平行式布置的误差较大，这主要是由于对角式的布置，其两个声道的数据存在90°度的相位偏差，可以通过两数据的相互补偿有效提高测量精度。

    3 结论

    通过以上多声道布置方式在双弯管流动下的误差-角度关系可以看出，误差的变化具有周期性变化的特点。因此当采用某种固定的安装方式时，通过调整超声波流量计的安装角度可以在最大程度上降低因为流场扰动产生的误差。

    在实际安装时，如无法精确确定安装角度，则采用对角式的多声道布置，其流量测量精度优于平行式的声道布置。

    以上两种多声道安装方式均不存在理论测量误差为零的安装角度，这主要是由于双弯管流场的特性所致^[9]_。

    参考文献

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