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)實驗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:實驗中獲取的管道內(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％.考慮到實際測試環(huán)境與理想流體測試環(huán)境間的差異,實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致.【期刊名稱】《物理實驗》【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)性強以及安裝與維護簡便等特點，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驗室應(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機驅(qū)動下管道內(nèi)流速的分布特性；實驗上利用時差法測量流量原理，實驗測定相同管道中空氣在風機驅(qū)動下流場的平均流速，并與理論分析結(jié)果相印證.理論與實驗裝置使用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實驗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遠小于c，化簡(2)式可得(3)18cm64°夾角放2到計算機，由計算機進行最后的信號處理，以獲取管道中流體的流速.實驗結(jié)果與討論1DF6012.860m/s.22圖2雙通道測量信號信號，實線為逆向信號.實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.與實際測量得風機出口的流速相比，此結(jié)果遠小于風機出口的風速.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)實驗公式[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)果與實驗中所得到的流場速度0.814m/s接近，偏差為5.2%.由于在實驗分析中，采用的聲速按照340m/s[14]；再加上忽略了有機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.從實驗原理以及測試的過程中的信號處理上看,如在以下幾方面進行適當改進將提高實驗結(jié)果的準確性.首先,如在實驗進行前使用標準流速進行預(yù)先的實驗標定將有助于實驗結(jié)果的準確性；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,在測程和準確性之間尋求最佳的匹配；此外,適當?shù)靥岣卟蓸铀俾室部商岣邷y量結(jié)果的準確性,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機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)所為本項目提供了相關(guān)的實驗儀器、場地，南京大學(xué)聲學(xué)所張仲寧老師為實驗裝置設(shè)計提出了建設(shè)性的改進措施.【相關(guān)文獻】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