单声道超声流量计在双弯管流场中的适应性研究

　　0　引言

　　超声波流量计对流场状况非常敏感,但是目前的研究重点主要集中于二次仪表,即如何利用现代检测技术通过信号处理的方法来提高仪表性能[1-2]。如果要进一步提高超声流量计的测量精度,必须对流场流动特性进行深入细致的研究,这样才能从根本上解决问题,并充分发挥一次仪表的性能改善潜力[3]。双弯管流动是一种比较典型的流动方式,对超声波流量计量形成非常不利的影响,但这只是定性分析,通过计算则可获得更准确的结果。本文针对超声波流量计在双弯管流场中的适应性问题,研究几种单声道布置方式在双弯管流场下的误差-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。

　　1误差计算

　　评估流动对不同声道系统影响的主要方式是计算因为非理想流动导致的流量系数偏差。现假设理想状况下的流量修正系数为kc,实际的流量修正系数为k,两者之间的误差e反映了非理想流动对声道系统的影响:

　　由于k=uA/uL(uA为被测管道整个截面上的平均速度,uL为声道上的线平均速度)。因此,式(1)变为:

　　由于相同流量和管道直径下,弯管和直管的截面平均速度相同,故理想状况下的线平均流速uLc=uA/kc,则式(2)变为:

　　在理想状态下,管道内的线平均流速为[4]:

　　式中:umax为管道内轴向的最大速度;r为管道内取出半径;R为管道半径;n为对应雷诺系数。

　　非理想流动状态下管道内的线平均流速为[4]:

　　将式(4)、(5)代入(3)得:

　　2　双弯管流动对单声道超声流量计的影响

　　双弯管的结构如图1所示,其中AA′截面为被观察截面,距离弯管后部9.5D。

　　取雷诺数为1×的湍流流场,即n=4(当管道内雷诺数达到0.4×以上时,可以认为已经进入湍流状态。雷诺数在左右时,湍流流场最复杂[6]),将管道内取出半径r映射到直角坐标系中,圆心定为坐标原点,则r在-R~R之间,双弯管特征截面上的流速分布如图2所示[5-6]。

　　2.1双弯管流动对直射式声道布局的影响

　　单声道超声波流量计的声道布置方式主要有直射式和折射式两种。对于直射式的单声道布局,主要有径式和弦式两种,如图3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[7],因此在流场保持不变时,考察不同弦位置h(弦与圆心的距离)及θ在0~2π区间内变化时,直射式单声道布置在流场中的不同表现。根据式(6),可得到如图4所示的误差-角度关系。