超声波气体流量计的时差法检测与数值分析

超声波气体流量计的时差法检测与数值分析徐文焯;章可易;王子静;赵迎倩;王田昱;徐思哲;何维予【摘要】使用2组超声换能器制作了基于时差法的超声波流量计,并将其应用于圆形管道中流场的测试.依据实验中所使用的圆形管道测试系统,理论上使用有限元方法构建了圆形管道中稳恒流场的流速分析模型.数值分析结果表明:实验中获取的管道内流速为测试位置截面处流体的平均流速,该测试值与理论值相差5.2％.考虑到实际测试环境与理想流体测试环境间的差异,实验结果与理论分析结果基本一致.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2018(038)003【总页数】4页(P43-46)【关键词】超声测速;时差法;气体流量计;声速;互相关函数【作者】徐文焯;章可易;王子静;赵迎倩;王田昱;徐思哲;何维予【作者单位】210003210003210003210003210003;南京师范大学附属中210003210003【正文语种】中文【中图分类】TB559;TH814.92相对于现有的流量检测技术[1-5]，如：电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计、触性、通用性广、适应性强以及安装与维护简便等特点，因此超声波流量计被广泛地应用于现代工业的各个领域[6-9]年德国科学家Ruttgen[1-2]首次提出了利用时差法1955年美国科学家使用“鸣环法”[1-2]，即：利用声音在液体中传播过程中的多次反射所产生的时间差计算液体的流量，才将超声波流量计从实验室应用到工业领域，然而由于此检测电20701mm的流体材料检测，而多普勒法检测原理适合于含有较大颗粒的流体检测.目前，超声波流量计的研究主要集中超声流量计的设计以及算法的修正上[10-12]，而对管道内的流场分布特性上尚有不足、针对流场测试中的不足之处，本文利用有限元方法，构建圆形管道中流场的理论分析模型，并数值分析管道中的空气流场在风机驱动下管道内流速的分布特性；实验上利用时差法测量流量原理，实验测定相同管道中空气在风机驱动下流场的平均流速，并与理论分析结果相印证.理论与实验装置使用2对中心频率均为40kHz的超声波传感器作为探测器，用于检测口径为18cm的有机玻璃导管中的流体速度.2对超声波传感器的安装方式如图1所示，将4个超声波传感器两两配对构成两组测试探测器，其中每组中各含1个接收和发射传感器，将2组传感器分别安装在被测导管的两侧，且每组中的收/发超声探测器和另外一组中的发/收超声探测器分别一一相对，并保持声程一致.这样当管道中有速度为v0的流体流动时，经过相应声程所需要的时间为(1)其中,D为管径，θ为超声发射方向与流体流速方向的夹角，k为由于仪器误差所加的修正值,±分别代表超声传播的声速矢量方向与流体速度矢量方向相同或相反.图1实验装置示意图测试获得的两路超声信号间的时间差为(2)由于v0远小于c，化简(2)式可得(3)18cm64°夹角放2到计算机，由计算机进行最后的信号处理，以获取管道中流体的流速.实验结果与讨论1DF6012.860m/s.22图2双通道测量信号信号，实线为逆向信号.实线所示信号滞后于虚线所示信号，其滞后的时间量反映了超声波信号被管道中流场所调制而导致的超声波信号在相同声程条件下传输时间的变化特性.2即可以依据互相关函数最大值时的延迟量，计算出两接收信号之间的时间差.依据3265.2μs，将该结果代入式(3)v0=0.814m/s.与实际测量得风机出口的流速相比，此结果远小于风机出口的风速.图3所检测获取的两路信号的互相关特性150mm2.860m/s4所示.取管道中与实际测试位置相同处的管道横切面，该横切面的流速分布如图52.781m/s，然后逐渐降低，在边缘处约为0.080m/s.图4管道中的数值模拟流场图5管道中横截面模拟流场的等速线分布根据实验公式[13]，管内流速分布可描述为(4)将图5中的模拟结果代入式(4)中，使用最小二乘法拟合管道中的数值流场速度分布特性，则可得到模拟流场中的平均流速为0.859m/s.此结果与实验中所得到的流场速度0.814m/s接近，偏差为5.2%.由于在实验分析中，采用的声速按照340m/s[14]；再加上忽略了有机玻璃管道对流动空气的黏滞性影响.综合上述误差因素，数值模拟证中的流场均值速度基本相符.从实验原理以及测试的过程中的信号处理上看,如在以下几方面进行适当改进将提高实验结果的准确性.首先,如在实验进行前使用标准流速进行预先的实验标定将有助于实验结果的准确性；其次,采用高质量高频超声传感器也将有效地提高测量结果,但由于高频超声在流体中的衰减较快,因而在选择传感器时应兼顾测量量程的需求,在测程和准确性之间寻求最佳的匹配；此外,适当地提高采样速率也可提高测量结果的准确性,但其对高频采样的硬件电路要求较高,易导致成本的非线性增长.3结束语采用基于有限元的数值分析方法分析了管道中空气流场在外界风机作用下的空气流利用该测试系统可获取管道内流场的平均流速，且该流速与基于有限元的数值模拟结果基本一致.致谢:在本课题的完成过程中，南京大学声学所为本项目提供了相关的实验仪器、场地，南京大学声学所张仲宁老师为实验装置设计提出了建设性的改进措施.【相关文献】KimM.Ultrasonicflowmeter,ProceedingsoftheInternationalSchoolofHydrocarbonMeasurement[Z].1983:422-424.RP.温度、压力、流量测量基础[M],1985.蔡武昌，孙淮清,纪纲.流量测量方法及仪表的选用[M].北京：化学工业出版社，2001.[J].传感器与微系统，2007，26(6)：8-11.孙淮清.流量仪表技术发展与趋势[J].自动化与仪器仪表，2009(1):1-4.姜天仕，吴淑珍.频差法超声波流量计[J].应用声学，1982(1):29-34.[J].中国计量，2006(11):53-55.兰纯纯.时差法超声波流量计的研究[D].重庆：重庆大学，2006.[D].武汉：华中科技大学，2009.[J].中国仪器仪表，2004(12):10-12.LiXue,SongZhengxiang.Anultrasoundbasedliquidpressuremeasurementmethodinsmalldiameterpipelinesconsideringtheinstallationandtemperature[J].Sensors，2015,15(4):8253-8265.SunJingyuan,YanYong.Non-intrusivemeasurementandhydrodynamicscharacteri