超聲波氣體流量計的時差法檢測與數(shù)值分析

超聲波氣體流量計的時差法檢測與數(shù)值分析徐文焯;章可易;王子靜;趙迎倩;王田昱;徐思哲;何維予【摘要】使用2組超聲換能器制作了基于時差法的超聲波流量計,并將其應(yīng)用于圓形管道中流場的測試.依據(jù)實(shí)驗(yàn)中所使用的圓形管道測試系統(tǒng),理論上使用有限元方法構(gòu)建了圓形管道中穩(wěn)恒流場的流速分析模型.數(shù)值分析結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)中獲取的管道內(nèi)流速為測試位置截面處流體的平均流速,該測試值與理論值相差5.2％.考慮到實(shí)際測試環(huán)境與理想流體測試環(huán)境間的差異,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致.【期刊名稱】《物理實(shí)驗(yàn)》【年(卷),期】2018(038)003【總頁數(shù)】4頁(P43-46)【關(guān)鍵詞】超聲測速;時差法;氣體流量計;聲速;互相關(guān)函數(shù)【作者】徐文焯;章可易;王子靜;趙迎倩;王田昱;徐思哲;何維予【作者單位】210003210003210003210003210003;南京師范大學(xué)附屬中210003210003【正文語種】中文【中圖分類】TB559;TH814.92相對于現(xiàn)有的流量檢測技術(shù)[1-5]，如：電磁流量計、渦街流量計、渦輪流量計、觸性、通用性廣、適應(yīng)性強(qiáng)以及安裝與維護(hù)簡便等特點(diǎn)，因此超聲波流量計被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域[6-9]年德國科學(xué)家Ruttgen[1-2]首次提出了利用時差法1955年美國科學(xué)家使用“鳴環(huán)法”[1-2]，即：利用聲音在液體中傳播過程中的多次反射所產(chǎn)生的時間差計算液體的流量，才將超聲波流量計從實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，然而由于此檢測電20701mm的流體材料檢測，而多普勒法檢測原理適合于含有較大顆粒的流體檢測.目前，超聲波流量計的研究主要集中超聲流量計的設(shè)計以及算法的修正上[10-12]，而對管道內(nèi)的流場分布特性上尚有不足、針對流場測試中的不足之處，本文利用有限元方法，構(gòu)建圓形管道中流場的理論分析模型，并數(shù)值分析管道中的空氣流場在風(fēng)機(jī)驅(qū)動下管道內(nèi)流速的分布特性；實(shí)驗(yàn)上利用時差法測量流量原理，實(shí)驗(yàn)測定相同管道中空氣在風(fēng)機(jī)驅(qū)動下流場的平均流速，并與理論分析結(jié)果相印證.理論與實(shí)驗(yàn)裝置使用2對中心頻率均為40kHz的超聲波傳感器作為探測器，用于檢測口徑為18cm的有機(jī)玻璃導(dǎo)管中的流體速度.2對超聲波傳感器的安裝方式如圖1所示，將4個超聲波傳感器兩兩配對構(gòu)成兩組測試探測器，其中每組中各含1個接收和發(fā)射傳感器，將2組傳感器分別安裝在被測導(dǎo)管的兩側(cè)，且每組中的收/發(fā)超聲探測器和另外一組中的發(fā)/收超聲探測器分別一一相對，并保持聲程一致.這樣當(dāng)管道中有速度為v0的流體流動時，經(jīng)過相應(yīng)聲程所需要的時間為(1)其中,D為管徑，θ為超聲發(fā)射方向與流體流速方向的夾角，k為由于儀器誤差所加的修正值,±分別代表超聲傳播的聲速矢量方向與流體速度矢量方向相同或相反.圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖測試獲得的兩路超聲信號間的時間差為(2)由于v0遠(yuǎn)小于c，化簡(2)式可得(3)18cm64°夾角放2到計算機(jī)，由計算機(jī)進(jìn)行最后的信號處理，以獲取管道中流體的流速.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論1DF6012.860m/s.22圖2雙通道測量信號信號，實(shí)線為逆向信號.實(shí)線所示信號滯后于虛線所示信號，其滯后的時間量反映了超聲波信號被管道中流場所調(diào)制而導(dǎo)致的超聲波信號在相同聲程條件下傳輸時間的變化特性.2即可以依據(jù)互相關(guān)函數(shù)最大值時的延遲量，計算出兩接收信號之間的時間差.依據(jù)3265.2μs，將該結(jié)果代入式(3)v0=0.814m/s.與實(shí)際測量得風(fēng)機(jī)出口的流速相比，此結(jié)果遠(yuǎn)小于風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)速.圖3所檢測獲取的兩路信號的互相關(guān)特性150mm2.860m/s4所示.取管道中與實(shí)際測試位置相同處的管道橫切面，該橫切面的流速分布如圖52.781m/s，然后逐漸降低，在邊緣處約為0.080m/s.圖4管道中的數(shù)值模擬流場圖5管道中橫截面模擬流場的等速線分布根據(jù)實(shí)驗(yàn)公式[13]，管內(nèi)流速分布可描述為(4)將圖5中的模擬結(jié)果代入式(4)中，使用最小二乘法擬合管道中的數(shù)值流場速度分布特性，則可得到模擬流場中的平均流速為0.859m/s.此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中所得到的流場速度0.814m/s接近，偏差為5.2%.由于在實(shí)驗(yàn)分析中，采用的聲速按照340m/s[14]；再加上忽略了有機(jī)玻璃管道對流動空氣的黏滯性影響.綜合上述誤差因素，數(shù)值模擬證中的流場均值速度基本相符.從實(shí)驗(yàn)原理以及測試的過程中的信號處理上看,如在以下幾方面進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)將提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.首先,如在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前使用標(biāo)準(zhǔn)流速進(jìn)行預(yù)先的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定將有助于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；其次,采用高質(zhì)量高頻超聲傳感器也將有效地提高測量結(jié)果,但由于高頻超聲在流體中的衰減較快,因而在選擇傳感器時應(yīng)兼顧測量量程的需求,在測程和準(zhǔn)確性之間尋求最佳的匹配；此外,適當(dāng)?shù)靥岣卟蓸铀俾室部商岣邷y量結(jié)果的準(zhǔn)確性,但其對高頻采樣的硬件電路要求較高,易導(dǎo)致成本的非線性增長.3結(jié)束語采用基于有限元的數(shù)值分析方法分析了管道中空氣流場在外界風(fēng)機(jī)作用下的空氣流利用該測試系統(tǒng)可獲取管道內(nèi)流場的平均流速，且該流速與基于有限元的數(shù)值模擬結(jié)果基本一致.致謝:在本課題的完成過程中，南京大學(xué)聲學(xué)所為本項(xiàng)目提供了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器、場地，南京大學(xué)聲學(xué)所張仲寧老師為實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計提出了建設(shè)性的改進(jìn)措施.【相關(guān)文獻(xiàn)】KimM.Ultrasonicflowmeter,ProceedingsoftheInternationalSchoolofHydrocarbonMeasurement[Z].1983:422-424.RP.溫度、壓力、流量測量基礎(chǔ)[M],1985.蔡武昌，孫淮清,紀(jì)綱.流量測量方法及儀表的選用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(6)：8-11.孫淮清.流量儀表技術(shù)發(fā)展與趨勢[J].自動化與儀器儀表，2009(1):1-4.姜天仕，吳淑珍.頻差法超聲波流量計[J].應(yīng)用聲學(xué)，1982(1):29-34.[J].中國計量，2006(11):53-55.蘭純純.時差法超聲波流量計的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.[J].中國儀器儀表，2004(12):10-12.LiXue,SongZhengxiang.Anultrasoundbasedliquidpressuremeasurementmethodinsmalldiameterpipelinesconsideringtheinstallationandtemperature[J].Sensors，2015,15(4):8253-8265.SunJingyuan,YanYong.Non-intrusivemeasurementandhydrodynamicscharacteri