CN103940495A - 基于流线的小流量超声流量计误差估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流线的小流量超声流量计误差估算方法，属于超声流量计设计与误差分析技术领域。该方法包括：根据低速、微小流量流量计的实际结构，建立流量计的三维模型；利用CFD软件获得流道的流场分布，生成考虑换能器影响的流体回流状态和流线分布，计算回流长度；根据修正后的速差法动力校正因子和拟合表达式，分析流量计的计量误差。本发明在流体力学理论和CFD技术的基础上，建立了针对低速、微小流量，特别是小直径、单声道超声流量计误差估算方法，并拟合了动力校正因子的表达式，为进一步提高流量计的测量精度和扩展工程应用奠定基础。

Description

基于流线的小流量超声流量计误差估算方法

技术领域

本发明属于超声流量计设计技术领域，尤其涉及一种低速、小流量超声流量计设计中误差估算方法。

背景技术

与传统流量计相比，超声流量计具有无运动部件，无压力损失，测量范围宽，重复性好，精度高等优点，在工业生产中得到广泛应用，尤其是针对大口径和较大流量的管道。超声流量计主要由安装在测量管道上的超声换能器、转换器和相关的温度、压力传感器等组成。超声换能器有侵入式和非侵入式两种安装方式。在非侵入式安装中，超声换能器发出的信号需要两次穿透管壁，信号强度削弱较大，信噪比低，影响信号稳定、准确接收。侵入式安装方式为目前常用的安装方式。侵入式安装需要在管壁上开设通孔，通孔上安装超声换能器。这种管道结构和超声换能器会对流场产生扰动，导致测量误差，是小直径、小流量超声流量计标定中的关键问题。相关文献指出超声换能器在管道内壁附近形成的凹陷和凸起使流场出现扭曲变形，导致测量值偏低，当声道长度为5m时，测量值偏低0.05%，当声道长度为1m时，测量值偏低0.35%。但是，对于小直径、低流速管道，其声道长度一般较小，远小于1m，文献中没有说明其误差大小。

总结相关参考文献，主要存在如下不足：（1）超声流量计大多采用双声道和多声道进行测量，一方面管道结构设计复杂，安装精度要求较高，另一方面使用多组超声换能器增加了流量计成本。（2）对于低雷诺数流体（小流量、小口径）、单声道超声流量计研究较少。在这种超声流量计中，侵入式安装结构和换能器对流场的扰动不可忽略。

发明内容

通过分析，动力校正因子对超声流量计测量精度起着重要作用，是超声流量计标定的关键参数。K的取值与雷诺数和管道结构等因素密切相关，在管道结构一定时，随着雷诺数的变化而变化。目前，动力校正因子K计算时，暗含如下两个假设：

第一，如图1所示，假定流体流向为平行于管道轴线。但是，在实际中，流体流向受到管道形状的影响，并不能保证全部都与轴线平行，在换能器和传感器附件的速度V并不是沿着水平方向。如果实际流向不与管道轴线平行，必然会产生较大误差。

第二，假定管道都是光滑圆管，忽略管道具体结构对流体的影响。但是，由于侵入式安装换能器的实际结构，特别是对于直径较小的管道，会影响流体在流道内的流动状态。

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种基于流线的小流量超声流量计误差估算方法，考虑管道实际结构形状及其产生的非平行轴线流向流体对计量的影响，对误差进行分析的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

基于流线的小流量超声流量计误差估算方法，该方法包括如下步骤：

（1）建立超声流量计实际结构的实体模型：根据小流量超声流量计的实际结构建立流量计流体通道的实体模型；实体模型为管道内径D，在与管道轴线呈45度方向上开有超声换能器安装通孔，其中一个超声换能器安装通孔为A，另一超声换能器安装通孔为B，AB之间的距离为L，AB线与管道轴线夹角为                                               ，A端发射超声信号至B端所需时间为，测量信号在A端换能器电路板内的传播时间即A端电路时延为；B端发射超声信号至A端所需时间为，测量信号在B端换能器电路板内的传播时间即B端电路时延为； 

（2）建立流道的网格模型：对第一步获得的流道实体模型按照线、面、体的顺序依次进行网格划分，获得流道的网格模型；

（3）导入CFD软件：对流道模型的网格进行检查和光滑变换处理，获得CFD模型；

（4）设置参数进行层流模型求解：针对低速小流量流量计，其雷诺数较低，流体模型属于层流模型，按照层流模型参数进行设置，然后求解；低速小流量流量计是流速在0.7米/秒以下，流量一般小于5立方米/每小时；

（5）流场流线分析：从计算结果数据中提取流场流线数据，分析其中的回流区域，并计算回流长度，计算有效的超声传播距离；

（6）根据修正动力校正因子，分析超声流量计的计量误差。

作为本发明的一种优选方案，在步骤（5）流场流线分析中，在流场分析结果数据中提取流线数据，并找到回流流线在流道中的分布情况，并计算其在换能器之间长度及其所占的比例。

作为本发明的另一种优选方案，在步骤（6）根据修正动力校正因子中，考虑了回流长度，回流使得线平均速度值减小，进而使得测量值偏小，测量误差为负值；表达式修正为：

将动力因子和雷诺数进行拟合得：

 

上述中，V为AB之间的线平均流速，K为动力校正因子，L _A 为A处的回流长度， L _B 为B处的回流长度，为AB声道上的逆流和顺流时差，为A处回流时差，为B处回流时差，为A端发射超声信号至B端所需时间为，为顺流发射超声信号在A处回流所需要时间，为顺流发射超声信号在B处回流所需要时间，为B端发射超声信号至A端所需时间为，为逆流发射超声信号在A处回流所需要时间，为逆流发射超声信号在B处回流所需要时间。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、首次分析了低速微小流量流量计的误差估算方法，为流量计的设计和优化提供一种方法。

2、首次提出采用流场流线分析回流对计量误差的影响。

3、首次对动力校正因子进行修正，并拟合了动力校正因子表达式。

附图说明

图1为超声流量计原理图；

管道内壁直径为，A、B端分别安装一个超声换能器，换能器发射和接受超声信号，AB之间距离为，AB线与管道轴线夹角为；A端发射超声信号至B端所需时间为，电路时延为；B端发射超声信号至A端所需时间为，电路时延为，管道内实际气体压力为P，实际温度为T。

图2为超声流量计实际结构模型的剖面图；

图3为声道迹线图；

图4为AB线上X方向流速曲线图；

图5为AB线上Y方向流速曲线图；

图6为AB中心垂直轴截面处速度曲线图；

图7为B处回流流线分布和回流长度测量图；

图8为A处回流流线分布和回流长度测量图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

基于流线的小流量超声流量计误差估算方法，该方法包括如下步骤：

（1）根据小直径、小流量的超声流量计的实际结构，进行仿真分析建模，建模过程如下：

（a）使用Gambit前处理软件或者三维CAD软件进行建立流量计的几何模型。管道内径D，在与管道轴线呈45度方向上开有通孔，安装换能器，左侧上、下两个孔中分别放置压力和温度传感器，例如图2所示。

（b）对模型进行网格划分。由于管道开有安装换能器和传感器的通孔结构，流场形状不再是标准的圆柱形。因此，选择四面体网格，依次对流场的线、面和体进行网格划分，既能保证换能器和传感器附近的网格足够密，又能控制网格数量。

（c）将网格文件导入Fluent软件进行流体计算。由于管道口径小（管道口径一般≤50毫米），流量小（流量一般小于5立方米/每小时），雷诺数小（雷诺数一般小于1500），采用层流计算模型。

（d）设置相应参数（流体类型，密度，流入流出速度等）进行计算。设流体介质参数和属性，Fluent求解模型采用层流模型，设置均匀速度入口，自由出口，开始仿真计算，收敛后，进入后处理查看AB之间的流速和流向等结果数据。

（2）管道结构对流场的扰动分析。流体由右侧流入，流场受到安装换能器和传感器结构的影响，会在换能器和传感器附件产生回流，如图3中的A、B处所示。回流的强弱随着雷诺数的变化而变化。雷诺数越大，形成的回流区域越大。回流经过测量声道，产生相反的流速，导致声道的线平均速度减小，直接影响测量精度。对于大口径流量计，回流的影响一般忽略不计。但是，对于小口径和小流量情况下，不能忽略回流影响。

在实际结构中，获得AB线上流体流速曲线如图4和图5所示。通过图4可以看出，在AB线上X方向速度分布不对称。在A处出现明显的流速正值，即出现反向流体流动。A处回流影响大于B处回流影响。

图5显示AB线上质点沿Y轴方向的速度分布，在管道轴线处，没有Y向流动或者较小，但是靠近AB端，出现明显的Y向流动。

输出管道中点（即AB中点）截面直径上的流速分布曲线如图6所示。受管道实际结构和换能器影响，分布规律不再是标准的抛物线分布。

（3）误差估算。对于管道流体，雷诺数计算公式为：

其中，为雷诺数，为气体密度，为流速，为管道半径。

在图2所示模型中，换能器的安装距离为AB。根据AB线的迹线图上，线上质点是否构成循环流动，来确定回流在超声传播路径上的长度。设A处的回流长度为L _A ，B处的回流长度为L _B ，如图7和图8所示。

分别在不同的雷诺数下进行仿真，获得流体在换能器处的回流以及回流长度L _A 和L _B ，统计如表1所示。

表1  A、B处回流长度表

序号	雷诺数Re	L A (m)	L B (m)	百分数（%）
					1	145	0.01191	0.00798	20.3
2	226	0.01198	0.00815	20.5
					3	459	0.01212	0.00956	22.1
4	1168	0.01339	0.01110	25.0
					5	1853	0.01451	0.01361	28.7

（4）超声传播时差修正

管道实际结构使流道在A、B两处产生了回流，回流增加了顺流超声传播时间，减少了逆流超声传播时间，使得顺流逆流超声传播时间差值变小，流量测量值偏小，测量误差为负，相同口径条件下，随着入口速度的增大，测量误差有逐渐增加的趋势。

为了估算回流对计量的具体影响，本文根据Fluent软件对模型的计算结果，统计出超声波在两个换能器之间传播时间及其时间差值，如表2所示。表中，A处回流时差记为，B处回流时差记为，AB声道上的逆流和顺流时差记为，单位为纳秒（ns）。

表2  A、B处回流时差表

序号	雷诺数Re	ΔT A(ns)	ΔT B (ns)	ΔT sim(ns)	百分数%
						1	145	1.874	1.608	97.5	3.6
2	226	3.283	1.883	147.2	3.5
						3	459	5.60	3.810	277.1	3.4
4	1168	17.723	2.366	683.4	2.94
						5	1853	23.10	1.59	1037.8	2.38

（5）动力校正因子K修正

回流使得线平均速度值减小，进而使得测量值偏小，测量误差为负值。现考虑回流影响因素，动力校正因子修正为：

一般AB两处的超声换能器型号相同，则，硬件时延相同，即：

得：

根据仿真结果数据可以获得：

由于是电路板延迟误差，忽略不计，计算获得线平均速度值，进而根据公式（4）和公式（5）计算动力校正因子K值，计算结果如表3所示。

表3线平均速度计算结果

序号	雷诺数Re	线平均速度m/s	动力校正因子K
				1	145	0.0816	1.067
2	226	0.123	1.105
				3	459	0.231	1.196
4	1168	0.569	1.235
				5	1853	0.863	1.290

表3数据显示，动力因子随着雷诺数的增加而变大。这也证明采用理想模型获得的动力因子系数K会产生负误差，并且误差随着雷诺数增加而增大。根据表3计算结果，将动力因子和雷诺数进行拟合得：

 。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于流线的小流量超声流量计误差估算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）建立超声流量计实际结构的实体模型：根据小流量超声流量计的实际结构建立流量计流体通道的实体模型；实体模型为管道内径D，在与管道轴线呈45度方向上开有超声换能器安装通孔，其中一个超声换能器安装通孔为A，另一超声换能器安装通孔为B，AB之间的距离为L，AB线与管道轴线夹角为                                               ，A端发射超声信号至B端所需时间为，测量信号在A端换能器电路板内的传播时间为；B端发射超声信号至A端所需时间为，测量信号在B端换能器电路板内的传播时间为；

（2）建立流道的网格模型：对第一步获得的流道实体模型按照线、面、体的顺序依次进行网格划分，获得流道的网格模型；

（3）导入CFD软件：对流道模型的网格进行检查和光滑变换处理，获得CFD模型；

（4）设置参数进行层流模型求解：针对低速小流量流量计，其雷诺数较低，流体模型属于层流模型，按照层流模型参数进行设置，然后求解；

（5）流场流线分析：从计算结果数据中提取流场流线数据，分析其中的回流区域，并计算回流长度，计算有效的超声传播距离；

（6）根据修正动力校正因子，分析超声流量计的计量误差。

2.根据权利要求1所述的基于流线的小流量超声流量计误差估算方法，其特征在于，在步骤（5）流场流线分析中，在流场分析结果数据中提取流线数据，并找到回流流线在流道中的分布情况，并计算其在换能器之间长度及其所占的比例。

3.根据权利要求1所述的基于流线的小流量超声流量计误差估算方法，其特征在于，在步骤（6）根据修正动力校正因子中，回流使得线平均速度值减小，进而使得测量值偏小，测量误差为负值；表达式修正为：

将动力因子和雷诺数进行拟合得：

 

上述中，V为AB之间的线平均流速，K为动力校正因子，L _A 为A处的回流长度， L _B 为B处的回流长度，为AB声道上的逆流和顺流时差，为A处回流时差，为B处回流时差，为A端发射超声信号至B端所需时间为，为顺流发射超声信号在A处回流所需要时间，为顺流发射超声信号在B处回流所需要时间，为B端发射超声信号至A端所需时间为，为逆流发射超声信号在A处回流所需要时间，为逆流发射超声信号在B处回流所需要时间。