多種超聲流量計(jì)對(duì)氣液兩相流流量計(jì)量的試驗(yàn)研究

張易農(nóng)，彭 靜，程耀華，瞿 蒙，姚 敏，鄭 睿

（北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京 100029）

多種超聲流量計(jì)對(duì)氣液兩相流流量計(jì)量的試驗(yàn)研究

張易農(nóng)，彭 靜，程耀華，瞿 蒙，姚 敏，鄭 睿

（北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京 100029）

超聲流量計(jì)廣泛應(yīng)用于生活供排水、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域流體流量的計(jì)量。受實(shí)際工況影響，管道內(nèi)流體的流態(tài)呈現(xiàn)復(fù)雜多變的特點(diǎn)，根據(jù)具體工況準(zhǔn)確選擇流量計(jì)對(duì)保證測(cè)量結(jié)果精度、流量計(jì)更換頻率具有重要影響。針對(duì)實(shí)際工況中常出現(xiàn)的氣液兩相流流態(tài)下的流量精確測(cè)量問(wèn)題，通過(guò)對(duì)單聲道反射式、外夾式、三聲道超聲流量計(jì)在該流態(tài)狀態(tài)下5個(gè)典型流量值附近進(jìn)行測(cè)量，將檢測(cè)量值同稱(chēng)重法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)各流量計(jì)計(jì)量特性評(píng)估。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同類(lèi)型的流量計(jì)有著不同的使用條件和范圍，對(duì)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義，為用戶(hù)使用流量計(jì)選型提供參考依據(jù)。

超聲流量計(jì)；氣液兩相流；流型；質(zhì)量法；計(jì)量

0 引 言

國(guó)外超聲波流量計(jì)的研究歷史可追溯到20世紀(jì)20年代[1]，而國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)60年代才開(kāi)始渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)等相關(guān)設(shè)備的自主研發(fā)[2]。90年代以后，超聲波流量計(jì)可靠性和測(cè)量精度大大提高，開(kāi)始廣泛應(yīng)用于生活供排水、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域流體流量的計(jì)量[3]。超聲流量計(jì)測(cè)量精度受工況影響較大，且在實(shí)際應(yīng)用工況中的流體普遍存在湍流、氣流兩相等流態(tài)，導(dǎo)致流量計(jì)量出現(xiàn)加大偏差。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研人員在超聲流量計(jì)流場(chǎng)適應(yīng)性方面做了許多研究工作。鄭丹丹等[4]對(duì)超聲流量計(jì)在特定工況下的安裝和測(cè)量性能進(jìn)行了研究。何存富等[5]針對(duì)在不具備充分發(fā)展安裝條件下，如何合理的選擇聲道數(shù)量和安裝角度等問(wèn)題進(jìn)行了研究。Calogirou等[6]從理論上分析了管道內(nèi)壁粗糙度對(duì)于流體流動(dòng)性能的影響。Moore等[7]從理論出發(fā)分析了徑向聲道、正交聲道等7種聲道布置方式對(duì)23種湍流速度分布中常見(jiàn)的14種流量進(jìn)行測(cè)量，研究聲道設(shè)置方式對(duì)流場(chǎng)流量測(cè)量精度的影響。Drenthen等[8]采用組合多種布置形式的聲道進(jìn)行流量測(cè)量提高超聲流量計(jì)的流場(chǎng)適應(yīng)性。

實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)工況條件正確選擇流量計(jì)類(lèi)型，否則不僅影響測(cè)量結(jié)果，甚至?xí)饍x表的損壞。本試驗(yàn)針對(duì)實(shí)際工況中氣液兩相流流態(tài)下流量高精度測(cè)量的流量計(jì)選擇問(wèn)題進(jìn)行研究，分析了常用單聲道反射式、外夾式、三聲道超聲流量計(jì)在氣液兩相流不同流速下流量測(cè)量的精度，評(píng)估各傳感器的工作效能，為用戶(hù)流量計(jì)選型提供依據(jù)。

1 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

超聲流量計(jì)利用超聲波通過(guò)流體時(shí)可以載上流體的流速信號(hào)的特性，通過(guò)對(duì)穿過(guò)流體的超聲信號(hào)進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)流體流速的測(cè)量，進(jìn)而換算成流量。傳播速度差法超聲流量計(jì)參照測(cè)量參數(shù)不同可以細(xì)分為時(shí)差法、相差法和頻差法流量測(cè)量。圖1給出了時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理圖。如圖所示，聲波在流體中的實(shí)際傳播速度是由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度cf和流體軸向平均流速νm在聲波傳播方向上的分量組成。順流和逆流時(shí)超聲信號(hào)的抵達(dá)時(shí)間與各量之間的關(guān)系是：

式中：tup——超聲波在流體中逆流傳播的時(shí)間；

tdown——超聲波在流體中順流傳播的時(shí)間；

圖1 超聲流量計(jì)測(cè)量原理圖

L——聲道長(zhǎng)度；

cf——聲波在流體中傳播的速度；

νm——流體的軸向平均流速；

φ——聲道角。

由式（1）和式（2）可推出流體流速與超聲波的傳播速度表達(dá)式：

超聲波流量計(jì)利用聲道測(cè)量線(xiàn)平均流速乘以流量修正系數(shù)和截面積求得流體流量[9]。多聲道流量計(jì)則根據(jù)不同的聲道布置和每組聲道對(duì)流場(chǎng)整體的反應(yīng)特性不同，分配不同的權(quán)重系數(shù)，計(jì)算流體流量：

式中：qν——流體體積流量；

D——管道直徑；

wi——i聲道的權(quán)系數(shù)；

Li——聲道的聲道長(zhǎng)度；

φi——i聲道的聲道角；

t1i、t2i——i聲道順流和逆流的時(shí)間；

Δti——i聲道的時(shí)差[10]。

2 試驗(yàn)研究

采用單聲道反射式、外夾式和三聲道3種不同的流量計(jì)對(duì)實(shí)際工況常見(jiàn)流體流態(tài)下的流量進(jìn)行計(jì)量。3 種超聲流量計(jì)的工作原理見(jiàn)圖 2（a）、圖 2（b）和圖2（c）。試驗(yàn)中將3種流量計(jì)安裝到同一條試驗(yàn)管路上。啟動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)，分別使水及水、氣混合的氣液兩相流經(jīng)過(guò)3種被檢流量計(jì)后進(jìn)入稱(chēng)重裝置中。

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由水池、水泵、變頻器、穩(wěn)壓罐、管路、稱(chēng)重裝置（換向器、電子秤）、溫度變送器、壓力變送器等設(shè)備組成，具體見(jiàn)圖3。該裝置滿(mǎn)足流量標(biāo)準(zhǔn)裝置建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[11]。

圖2 不同類(lèi)型超聲流量計(jì)測(cè)量原理圖

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

表1給出了試驗(yàn)所選用的單聲道反射式、外夾式、三聲道3種超聲流量計(jì)的相關(guān)信息。

表1 3種超聲波流量計(jì)

氣液兩相流動(dòng)中，相與相之間流動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜程度，使得管道內(nèi)部的相之間呈現(xiàn)不同的流動(dòng)形態(tài)，稱(chēng)作氣液兩相流流型[12]。典型的流態(tài)包括泡狀流、柱塞流、斷塞流、波狀流和層狀流等。由于試驗(yàn)中氣態(tài)流量遠(yuǎn)大于液態(tài)的流量，為了防止氣體在管線(xiàn)頂部集結(jié)，影響外夾式超聲波流量計(jì)對(duì)流量的檢測(cè)，故將其安裝在管道軸線(xiàn)的水平位置。

3種流量計(jì)具體安裝位置如圖4所示。試驗(yàn)開(kāi)始后，水流經(jīng)3種流量計(jì)所在管路，最終流入稱(chēng)重裝置，數(shù)據(jù)處理時(shí)需將質(zhì)量數(shù)據(jù)換算成體積。通過(guò)對(duì)比兩組數(shù)值，評(píng)測(cè)各種流量計(jì)的計(jì)量性能[13]。

圖4 流量計(jì)安裝位置示意圖

本文分別針對(duì)管內(nèi)流體是水及水、氣混合的1#及2#流態(tài)進(jìn)行兩組試驗(yàn)。每組試驗(yàn)在5個(gè)典型流量值附近進(jìn)行，每個(gè)流量值附近測(cè)量5組數(shù)據(jù)。將5次測(cè)量結(jié)果的平均值作為分析數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)表2。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，為保證稱(chēng)重裝置的有效運(yùn)行及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，每組試驗(yàn)的時(shí)間均為90s。其中，在進(jìn)行水、氣混合狀態(tài)試驗(yàn)時(shí)，先由穩(wěn)壓罐提供穩(wěn)定氣源，再由標(biāo)準(zhǔn)氣體體積流量計(jì)將進(jìn)入管道內(nèi)的氣體流量保持在12m3/h，試驗(yàn)的充氣時(shí)間為10s。

表2 5次試驗(yàn)流量平均值 m3/h

3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)稱(chēng)重方式測(cè)定的不同平均流量值為橫軸，流量計(jì)在不同平均流量值的示值相對(duì)誤差為縱軸。圖5是1#流態(tài)下，在不同平均流量下測(cè)量得到的結(jié)果。圖6是2#流態(tài)下，在不同平均流量下測(cè)量得到的結(jié)果。圖 5（a）～圖 5（e）分別表示在 3.000，3.500，4.000，4.500，5.000m3/h 5個(gè)典型流量附近下測(cè)得的不同平均流量值。

1#流態(tài)的試驗(yàn)示值誤差數(shù)據(jù)如表3所示。其中，Q為5次的平均流量值，E為3種超聲波流量計(jì)5次相對(duì)示值誤差平均值。

圖5 在1#流態(tài)下，在不同平均流量下測(cè)量得到的試驗(yàn)結(jié)果

圖6 在2#流態(tài)下，在不同平均流量下測(cè)量得到的試驗(yàn)結(jié)果

1#流態(tài)情況下，單聲道超聲流量計(jì)[14]利用1對(duì)超聲波換能器收發(fā)超聲波，用1個(gè)點(diǎn)的流速計(jì)算流量，測(cè)量精度不高。外夾式超聲流量計(jì)在使用時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)易受到安裝位置和管道材質(zhì)、壁厚、及管徑數(shù)據(jù)的影響，測(cè)量精度有限。三聲道超聲流量計(jì)[15]測(cè)流時(shí)在流量的斷面上布設(shè)了3對(duì)換能器，含有3個(gè)超聲波傳播路徑，通過(guò)精確地測(cè)量各聲道上超聲波沿水流順向及逆向傳播的時(shí)差，用加權(quán)積分的方法計(jì)算出流量，測(cè)量精度較高。表3中，單聲道超聲流量計(jì)累計(jì)體積偏大，呈現(xiàn)正誤差；外夾式流量計(jì)累計(jì)體積偏小，呈現(xiàn)負(fù)誤差。三聲道超聲流量計(jì)累計(jì)體積較接近標(biāo)準(zhǔn)值，示值誤差較小。

表3 1#流態(tài)3種超聲波流量計(jì)流量示值誤差

表4 2#流態(tài)3種超聲波流量計(jì)流量示值誤差

2#流態(tài)的試驗(yàn)示值誤差數(shù)據(jù)如表4所示。在試驗(yàn)管路中氣態(tài)流量大于液態(tài)的流量時(shí)，大口徑管道內(nèi)各點(diǎn)的流速均不同，單聲道超聲流量計(jì)利用1對(duì)超聲波換能器計(jì)算出的累計(jì)體積值偏小，出現(xiàn)了嚴(yán)重負(fù)誤差超差現(xiàn)象，準(zhǔn)確度、可靠性大大降低。外夾式超聲流量計(jì)因管路內(nèi)流態(tài)是氣液兩相流，超聲波傳播信號(hào)衰減嚴(yán)重，質(zhì)量下降，換能器在管徑外壁接收信號(hào)時(shí)受到干擾，極大地影響了數(shù)據(jù)傳輸，計(jì)算出的流量值出現(xiàn)了較大正偏差。三聲道超聲流量計(jì)受管路內(nèi)氣液兩相流影響較小，3對(duì)超聲波換能器，3個(gè)超聲波傳播路徑，很大程度上克服了隨機(jī)性對(duì)測(cè)量的影響，獲得了高精度，高重復(fù)性的測(cè)量結(jié)果。

對(duì)比1#和2#兩種流態(tài)下不同類(lèi)型流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單聲道和外夾式流量計(jì)測(cè)量精度隨液體流態(tài)復(fù)雜度的增加降低，而三聲道流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果則較為穩(wěn)定，對(duì)流態(tài)的適應(yīng)性較強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

超聲流量計(jì)要根據(jù)實(shí)際工況正確選型才能保證其更好的使用，通過(guò)本次試驗(yàn)可知：?jiǎn)温暤莱暳髁坑?jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，但對(duì)流場(chǎng)分布變化適應(yīng)相差，測(cè)量精度不易控制，更適用于簡(jiǎn)單、流量穩(wěn)定的工況，在小口徑或測(cè)量精度要求不高的情況下使用。外夾式超聲流量計(jì)換能器信號(hào)的發(fā)射和接收必須通過(guò)管道、（襯里）和流體介質(zhì)，測(cè)量精度相對(duì)較低。一旦輸入壁厚、管徑等參數(shù)有誤，測(cè)量數(shù)據(jù)引入的誤差較大，不正確的安裝換能器甚至?xí)雇鈯A式超聲流量計(jì)無(wú)法正常測(cè)量。三聲道超聲流量計(jì)改善了單聲道測(cè)量平均流速的不確定影響量，消除了現(xiàn)場(chǎng)安裝換能器位置的影響，可在復(fù)雜流態(tài)下得到較高的測(cè)量精度，適用于大口徑和流態(tài)分布復(fù)雜的工況。

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（編輯：劉楊）

Experimental study on gas-liquid two-phase flow measurement by using multiple ultrasonic flowmeter

ZHANG Yinong， PENG Jing， CHENG Yaohua， QU Meng， YAO Min， ZHENG Rui
（Beijing Institute of Metrology，Beijing 100029，China）

Ultrasonic flowmeter is widely used for flow measurement in the fields of water supply and drainage，agricultural irrigation and industrial production.As the flow regime in pipes shows complex and changeable characteristics in practical application，the correct selection of flowmeter has important influence on measurement accuracy and flowmeter replacement frequency.To the problem of accurate flow measurement in the gas-liquid two-phase flow in practical application，the metrological characteristics of mono reflection-type， external clamp and three-channel ultrasonic flowmeters in the gas-liquid two-phase flow state are evaluated near the five typical flow values in this test.Finally，the metrological characteristics of the flowmeter are evaluated through comparing the measured values by the flowmeters with the measured values by standard device with weighing method.The research results show that different types of flowmeters have different service conditions and ranges and the research has very important guiding significance for actual applications and provides a reference basis for the user to select flowmeter.

ultrasonic flowmeter； gas-liquid two-phase flow； flow pattern； weighing method；metrology

A

1674-5124（2017）09-0143-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.026

2017-01-05；

2017-02-13

張易農(nóng)（1981-），男，北京市人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)榱髁亢蜏囟扔?jì)量。