18声道超声流量传感器模型及测量误差

超声流量测量是一种非介入式测量方法，它解决了传统差压、浮子、容积、叶轮、涡街、热式质量等流量计接触流体介质测量的缺点，不破坏流体流场，没有压力损失。尤其在大管径、强腐蚀性、非导电性、放射性的流体流量的测量方面，优势明显［１－２］。

如果管道中平均流速剖面是非对称的，脉冲传播路径上流速剖面将不能代表典型计算，因而由此计算的平均流速将与实际平均流速产生本质区别。而紊流脉动在中等或高Ｒｅ管道中总是存在的［３］。为提高超声流量测量精度，在超声流量传感器中采用多声道测量方式。多声道超声换能器分布在测量管段的不同流层，对不同声道测得的平均流速进行加权求和，计算瞬时流速，积算体积流量［４］。

本文重点研究高Ｒｅ下不可压缩管道流体中双传感器，利用传输时间差原理的超声流量传感器，在考虑声传播特性、安装位置和传感器入射方向等因素时的测量模型，希望提供一种高精度多声道弦超声流量传感器的基本测量原理和流量积算方法。

１　超声流量测量基本原理

典型时差式超声流量系统原理如图１所示，一对超声换能器交互发射／接收超声波，通过测量超声传播路径上顺流和逆流超声波飞行时间差Δｔ得到流体流速，积算体积流量［５］。

流体流速计算公式为

式中：ｖ为流体轴向流速；Ｌ为声程长度；ｖＬ为流体声程流速；ｔ１２、ｔ２１为超声波顺流、逆流传播时间，可用式（２）表示，

ｃ为空气中声速。流体流速ｖ决定于管道参数Ｆｎ和轴向位置ｚｍ。双传感器超声流量计结构参数包括：径向偏置ｂ、方位角α，轴向角φ。因此，流量计读数ＶＩ和流量计常量ＣＩ是α、φ、ｂ、Ｆｎ和ｚｍ及上游管道构造参数的函数。Ｖｂ为平均体积流量。

２　１８声道超声流量计结构布局

根据ＡＳＭＥ美 国 机 械 工 程 师 标 准ＰＴＣ－１８－２００Ｘ设计了一款１８声道超声流量计测量管段，其结构布局如图２所示。管段直径Ｄ＝５００ｍｍ，３６个超声换能器组成１８声道，布局在交叉垂直的两个平面上，每个面上９个弦声道，轴向角φ＝４５°。超声换能器直径ｄ＝１５ｍｍ，采取插入安装方式，换能器端面完全伸入管段内。弦平面与管道轴线中心平面夹角分别为：１８°、３６°、５４°、７２°。单平面超声流量传感器即使采取Ｇａｕｓｓ积分方法也不能够完全剔除非对称横向流的影响，因此在测量示值中存在着非对称漩涡成分［６］。如果采用图２所示超声流量传感器结构布局方式，那么由紊流脉动引起的净扰动速度为