低功耗超声流量计的研究

　　超声波流量测量，是利用超声波在流体中传播时，可以载上流体流速信息的特性，通过接收和处理穿过流体的超声波信息，就可检测出流体的流速，进而换算成流量。是一种非介入式的测量方法，解决了以往差压、浮子、容积、涡轮、涡街等接触式流量计的缺点，具有压损小、精度高、量程大等优点，广泛应用于石油化工、电力、供水等行业。目前国内超声流量测量，基本采用时差法测量原理。然而在时差法流量测量中，不同结构的测量管道，影响流量测量的精度，而且二次仪表电路中超声波收发电路的电流较大，导致仪表的整体功耗大。

　　本文针对超声波时差法流量测量中存在的问题，借助流体仿真软件 Fluent，对流量测量管道进行了建模和数值仿真，分析了不同管道对超声波信号的影响，获得了合理的管道结构，设计了超声波流量积算仪，并通过实际流量实验验证了设计的正确性。

　　1 超声波流量测量原理

　　时差法是分别在顺流方向和逆流方向发射超声波，测量其传播的顺流和逆流时间差[1]，从而计算出流体流量的方法，结构如图 1 所示。

　　超声波顺流的传播时间为

　　超声波逆流的传播时间为

　　式中，

　　L 为超声波发射与接收器之间的距离;

　　c 为超声波传播速度;

　　u 为被测流体的速度。

　　则超声波的传播时间差为

　　由于超声波传播速度 c 远大于流体的流速 u，则从而流体的流量为

　　其中 D 为管道的直径。

　　2 管道模型的仿真

　　本文以现有管道(结构见图 1)中，水流方向与测量区域之间的角度 θ 作为特征，将其分为 30°、40°、90°几种。然后将这些特征及尺寸输入入计算机中，使用 Fluent 软件对其进行计算仿真。

　　设计的传感器直管段两端为超声波换能器，管径取 15 mm，直管段长度取 114 mm。根据管道的结构，采用二维模型作定性分析。采用 Fluent 的前处理器 Gambit 软件来对 3 种管道进行二维数字建模和模型的网格划分，生成网格后使用 Gambit 进行网格划分。

　　网格完成后，将其导入 Fluent 软件进行仿真计算。在 Fluent 中需对其进行条件设置，其中求解器设置为二维，粘性模型为 K-epsilon Model，流通属性中为水，比热取 4 216 J / kg·K，密度为 1 000 kg / m3，动力黏度为 0.000 8kg /(m·s)，边界条件与步长根据流速的不同进行调整[4~8]。然后分别模拟在 0.1 m3/ h，1.5 m3/ h 和 3 m3/ h 流量下管道内的情形。

　　从仿真结果表明，在测量流量的区域两端会产生涡形。而且管道的角度不同，产生的涡的大小和速度不同，40°角的管道中涡形的速度矢量最小，因此40°角的管道为最优管道结构。图 2 为流量为 3 m3/ h时各管道内部速度矢量图。