CN117213571A - 一种提高超声波气体流量计计量误差线性度的结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高超声波气体流量计计量误差线性度的结构及方法，气体流量管道为矩形管道，矩形管道的流道内部或流道入口处设置有整流片，整流片设置有三片并把流道划分为四个通道，包括设置于流道正中央的第一整流片以及相对于第一整流片对称设置的第二整流片和第三整流片，第二整流片和第三整流片到第一整流片的距离为t1，第二整流片和第三整流片分别到两边侧壁的距离为t2，所述t1值小于t2的值。发明通过研发过程中的仿真分析及设计实验，创新提出通过在矩形管道内通过特定的设置整流片结构的方式，提高超声波气体超声流量计计量误差线性度的方法，给出了整流片调整流量达到测试误差曲线较好线性度时的整流片距离比例范围。
Description
技术领域
本发明属于超声波气体流量计技术领域，特别涉及一种提高超声波气体流量计计量误差线性度的结构及方法。
背景技术
超声波气体流量计常用于户用燃气表以及工商业燃气表中，适用于天然气、空气、液化天然气及其他混合气体流量计量。超声波气体流量计量具有精度高，压损小，无机械扰动部件可靠性高等技术优点，是未来气体流量计量发展的主要趋势。超声波气体流量计目前采用时差法进行超声波流量的测量与计算，时差法是根据超声波在流体介质中的顺流与逆流的传播时间差与流速的关系测量流量的。当流体流速方向与超声波传播方向相同时，流速沿超声波传播方向分量叠加在超声波波速上，使超声波实际波速增大，传播时间缩短；当流体流速方向与超声波传播方向相反时，流速沿超声波传播方向分量抵消部分超声波流速，使超声波实际波速减小，传播时间增长，通过测量超声波顺逆流的飞行时间，从而可以计算出流体流速和流量。研发使用过程中由于气体介质的变化，超声波在介质中传播的速度、声波的衰减及气体介质的黏度、密度均会影响气体流量的计量。如何实现超声波流量计量在空气和实气介质下均符合误差测试要求是国产化超声波模组实现替代方案的关键技术难题。
现有超声波气体流量计大多设置为矩形流道，流道内部无整流片或在流道入口处加装整流器，无整流片时气体流经流道时由于流道直径小，气体会以湍流的状态流动，此时气体流动不稳定，不利于对实际流量的计量；入口安装有不同形状例如蜂窝状的整流器的流道，在进行计量时，整流器对气体的稳定有一定帮助，但整流器结构复杂，通道较小容易发生堵塞且耗费成本较高；流道内加装整流片时，市面上的加装方式通常为在流道内加装平行于流道壁面的数个分隔板，将流道分隔成多个支路，稳定气体流动，降低计量误差提高计量精度，但对其设置方式没有特定的要求，因此现有的整流片设置方式对计量在空气和实气介质下均符合误差测试的要求没有任何帮助。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明在现有流道结构的基础上提出如何对整流片进行设置，从而提高流量计量误差线性度，并进一步确定流道内整流片距离的设置比例，并通过研发过程中的仿真分析及设计实验，创新提出流道本质结构上提高气体超声流量计量误差线性度的方法，通过压损分析和流量仿真分析，提高流量范围内误差线性度实现空气实气流量计量均满足误差流量测试，推动国产化模组的快速发展。
本发明第一方面提供了一种提高超声波气体流量计计量误差线性度的结构，气体流量管道为矩形管道，矩形管道的流道内部或流道入口处设置有整流片，所述整流片设置有三片并把流道划分为四个通道，包括设置于流道正中央的第一整流片以及相对于第一整流片对称设置的第二整流片和第三整流片，所述第二整流片和第三整流片到第一整流片的距离为t1，所述第二整流片和第三整流片分别到两边侧壁的距离为t2，所述t1值小于t2的值。
优选的，所述t1与t2的的比值范围为0.47到0.59。
本发明第二方面提供了一种提高超声波气体流量计计量误差线性度的方法，应用于矩形管道中，在矩形管道的流道内部或流道入口处设置整流片，所述整流片设置有三片并把流道划分为四个通道，包括设置于流道正中央的第一整流片以及相对于第一整流片对称设置的第二整流片和第三整流片，所述第二整流片和第三整流片到第一整流片的距离为t1，所述第二整流片和第三整流片分别到两边侧壁的距离为t2，所述t1值小于t2的值。
优选的，所述t1与t2的的比值范围为0.47到0.59。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明通过研发过程中的仿真分析及设计实验，创新提出通过在矩形管道内通过特定的设置整流片结构的方式，提高超声波气体超声流量计计量误差线性度(线性更平稳，便于误差纠正)的方法，给出了整流片调整流量达到测试误差曲线较好线性度时的整流片距离比例范围，通过仿真分析进行验证，通过沿超声波声程速度分布进行误差线性度计算，从仿真结果定量分析线性度判定此整流片设置方式及距离比例范围可以达到最优，实现空气实气流量计量均满足误差流量测试，推动国产化模组的快速发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明矩形管道及整流片设置结构横截面示意图。
图2是本发明实施例中三种整流片设置距离及无整流片的共四种模型结构示意图。
图3是本发明图2中四种模型结构的气流速度分布云图。
图4是本发明实施例中不同模型结构不同流量节点下的误差曲线图。
图5是本发明实施例中t1小于t2时不同模型结构不同流量节点下的误差曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
原理说明：
水力学原理适用于各种液体和低速流动的气体，即可忽略压缩性影响的气体，当气体运动速度远比音速小时在运动中的密度变化也很小(当气体运动速度小于68m/s时，密度变化小于1％；当气体运动速度小于150m/s时，密度变化也只在10％)，此时气体可视为不可压缩的。任意并联管路流量分配都遵循水力学的基本原则，并联管路特点是：主管中总流量等于并联的各个管段流量之和；各个分支管路的阻力损失相等，因此计算单位质量流体流过并联管路的阻力时，只需考虑任一支管路的阻力即可。
各并联支管段的水头损失皆相等，水头差表示为：
H＝SG2
H为水头差，S为管路阻抗，综合了管路长度、管径和局部阻力因素，G为流量。
并联管路流量分配比为：
并联管路之间流量分配与管路阻抗平方根成反比，并联管路中流量分配方法通常为按比例分配各并联支路的阻力系数，使各支路阻力系数的比例与其流速的比例相等。在并联的管路中，支管越长，管径越小，阻力系数越大，流量越小。比阻最大的支管通过的流量最小，比阻最小的支管通过的流量最大。
管道流动单位重量流体沿程损失计算：
hf为沿程损失，单位m；L为管道长度，单位m；D为流道当量直径，单位m；v为平均流速，单位m/s；g为重力加速度，单位m/s；λ为沿程阻力损失系数，无量纲的量，与流体的粘度、流速、管道内径以及管壁粗糙度有关，管道越长损失的能量越大。
t1通道与t2通道沿程阻力损失计算通过以上公式求出。计算过程中，结构确定，截面及整流片厚度确定，重力加速度g、管道长度L均保持不变，可变量为沿程阻力系数λ(管径越大，沿程阻力系数越小)、流道当量直径D、t1和t2，
当量直径计算：
D＝4A/L
其中A为截面面积，单位m2；L为截面湿周，单位m。
当t1减小(t2增大)，t1流道当量直径D1减小(D2增大)，沿程阻力系数增大，并联各支管沿程损失hf要保持不变，则t1通道流速v减小，使得并联管路沿程损失相同，通过结构参数t1、t2大小的调整实现了流量在通道内的调节分配。
在考虑流道内整流片距离不同对流道内流体的流动速度的调节作用时，重点研究进口及流道中心处的速度误差以及线性度，不考虑流体不同方向上的流动，所以本实施例提供了气表横截面的二维模型，对流道处进行网格加密，重点研究流道处的流量速度分布，及整流片的流量调节对测试误差曲线线性度的影响作用。
研究过程：
本实施例以超声波燃气表矩形流道结构为例，流道主体结构为矩形流道，如图1所示，高22mm，宽8.8mm，整流片厚度0.28mm，进气口直径设为15mm(进气口为圆形，气体经过超声波流量计入口后，在壳体内部进行缓冲后再进入流道，入口速度为实际体积流量换算成的速度与流道处速度不相同，相关误差计算需要根据入口及流道的比例进行系数计算)，流道宽度设置为8.8mm，流道长度设置为60mm，在流道两端各增加简单外扩圆弧为方便腔体内流体的导流，以免流体直接进入流道导致流动过程不稳定。
本发明中的整流片设置有三片并把流道划分为四个通道，整流片厚度为0.28mm，建立四个结构模型，如图2所示：①等距离整流片模型，模型内t1等于t2，距离为1.99mm，②设置t1大于t2，其中t1值为2.5mm，t2值为1.48mm③设置t1小于t2，其中t1值为1.48mm，t2值为2.5mm④单独建立无整流片模型，用于对照，无整流片情况下的模型参数除整流片外与模型①②③无异。
仿真模拟过程参数设置按照G4表设置七个不同的测试流量节点，最大流量4m3/h，最小流量点0.025m3/h，另外包括2.8m3/h、1.6m3/h、0.8m3/h、0.4m3/h、0.075m3/h，通过进气口横截面积换算入口速度，初步给出仿真模拟的七个速度点为6.288m/s，4.401m/s，2.515m/s，1.258m/s，0.629m/s，0.118m/s，0.039m/s。
四种模型结构的气流速度分布云图如图3所示。由于仿真过程设置为二维模型速度入口条件，气表入口与流道处的宽度不同，所以速度也不同，流道处宽度较小，速度较大，如何表征流道处气体流量计所能获取的有效速度以及如何计算测试误差是最基本的问题。本实施例在流道中心处沿60°超声波换能器声程方向获取声程上的平均线速度，用该速度作为流道处气体流量计获得的测试速度。由于气表入口为15mm，流道宽度为8.8mm，设置有三片整流片的流道宽度为7.96mm，故给出流道宽度比气表入口宽度的比值为面积系数，无整流片时的系数为0.587，有整流片时的系数为0.531，根据公式：
可以得到在该二维模型仿真模拟计算时所得到的误差以及极差。虽然模拟过程相对实验测试是在理想状态下进行的，所以误差数据大小并不能准确代替该结构下的实际测试误差，但误差测试的范围趋势以及线性度是一致的，本发明主要考虑线性度所表征的整流片结构影响，同一模型在不同流量节点形成的误差曲线并不能完全保证为一条直线，所以线性度最直观的表征方法即为极差，极差越小误差曲线的线性度越好，表现即为线性更平稳，线性度好的情况下气体介质无论是空气还是甲烷二氧化碳之类的，误差曲线都比较平稳，便于误差修正。
由表1及图4仿真数据结果可以看出，理想条件下无整流片时的虽然极差较小，线性更稳定，但误差相对有整流片时的误差在多数流量节点下较高，进一步证明了整流片对流道内流体的整流作用，利于稳定流体流动便于超声波换能器获取真实稳定的速度。在有整流片情况下根据误差最大值和最小值得到极差，数据明显说明在②t1大于t2情况下的误差线性度不如①t1等于t2和③t1小于t2的情况，且③误差线性度较①更好，在此基础上，得到整流片设置距离t1小于t2时，对提高气体流量计误差线性度有显著影响。
表1四种不同模型结构仿真数据结果
如图5所示，在t1小于t2且模型③的基础上，再次建立三个t1小于t2但距离不同的模型：⑤t1＝1，t2＝2.98，⑥t1＝1.28，t2＝2.7，⑦t1＝1.78，t2＝2.2，对三种模型重复上述七种流量节点的模拟，并得出数据如下，由表2数据可以看出在t1等于1时整流片对线性度影响的效果并不好，说明t1并不是越小越好。由模型⑥和模型③获得的数据可以看出在该整流片调节下的流动结构对流量计测试误差线性度的改善效果较好，经过反复试验，给出t1/t2在0.47到0.59该范围内的整流片比例对流量计测量误差的影响效果显著，范围端点0.47约为模型⑥的比值端点，范围端点0.59约为模型③的比值端点，同样的以矩形结构为例得到的整流片比例参数适用于其他各种超声波气体流量计计量结构设计。
表2t1小于t2时不同模型结构仿真数据结果
本实施例给出了具体的理论依据及实验过程，通过研发过程中的仿真分析及设计实验，创新提出通过在矩形管道内通过特定的设置整流片结构的方式，提高超声波气体超声流量计计量误差线性度(线性更平稳，便于误差纠正)的方法，给出了整流片调整流量达到测试误差曲线较好线性度时的整流片距离比例范围。
以上所述结合附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本发明中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种提高超声波气体流量计计量误差线性度的结构，气体流量管道为矩形管道，其特征在于：矩形管道的流道内部或流道入口处设置有整流片，所述整流片设置有三片并把流道划分为四个通道，包括设置于流道正中央的第一整流片以及相对于第一整流片对称设置的第二整流片和第三整流片，所述第二整流片和第三整流片到第一整流片的距离为t1，所述第二整流片和第三整流片分别到两边侧壁的距离为t2，所述t1值小于t2的值。
2.如权利要求1所述的一种提高超声波气体流量计计量误差线性度的结构，其特征在于：所述t1与t2的的比值范围为0.47到0.59。
3.一种提高超声波气体流量计计量误差线性度的方法，应用于矩形管道中，其特征在于：在矩形管道的流道内部或流道入口处设置整流片，所述整流片设置有三片并把流道划分为四个通道，包括设置于流道正中央的第一整流片以及相对于第一整流片对称设置的第二整流片和第三整流片，所述第二整流片和第三整流片到第一整流片的距离为t1，所述第二整流片和第三整流片分别到两边侧壁的距离为t2，所述t1值小于t2的值。
4.如权利要求3所述的一种提高超声波气体流量计计量误差线性度的方法，其特征在于：所述t1与t2的的比值范围为0.47到0.59。
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