一种多声道超声流量传感器换能器设计

一种多声道超声流量传感器换能器设计

超声流量测量是一种非干预的测量方法。它解决了传统压力、浮流、体积、叶片、涡流、热质量等计算与传递过程中液体环境的缺点，不会破坏流量场，也不会造成损失。尤其在大管径、强腐蚀性、非导电性、放射性的流体流量的测量方面,优势明显。如果管道中平均流速剖面是非对称的,脉冲传播路径上流速剖面将不能代表典型计算,因而由此计算的平均流速将与实际平均流速产生本质区别。而紊流脉动在中等或高Re管道中总是存在的。为提高超声流量测量精度,在超声流量传感器中采用多声道测量方式。多声道超声换能器分布在测量管段的不同流层,对不同声道测得的平均流速进行加权求和,计算瞬时流速,积算体积流量。本文重点研究高Re下不可压缩管道流体中双传感器,利用传输时间差原理的超声流量传感器,在考虑声传播特性、安装位置和传感器入射方向等因素时的测量模型,希望提供一种高精度多声道弦超声流量传感器的基本测量原理和流量积算方法。1流量计计数参数估计典型时差式超声流量系统原理如图1所示,一对超声换能器交互发射/接收超声波,通过测量超声传播路径上顺流和逆流超声波飞行时间差Δt得到流体流速,积算体积流量。流体流速计算公式为v=vLcosθ=L2cosθ(1t12−1t21).(1)v=vLcosθ=L2cosθ(1t12-1t21).(1)式中:v为流体轴向流速;L为声程长度;vL为流体声程流速;t12、t21为超声波顺流、逆流传播时间,可用式(2)表示,t12=Lc+vL,t21=Lc−vL；(2)t12=Lc+vL,t21=Lc-vL；(2)c为空气中声速。流体流速v决定于管道参数Fn和轴向位置zm。双传感器超声流量计结构参数包括:径向偏置b、方位角α,轴向角φ。因此,流量计读数VI和流量计常量CI是α、φ、b、Fn和zm及上游管道构造参数的函数。Vb为平均体积流量。218自诊断能力根据ASME美国机械工程师标准PTC-18-200X设计了一款18声道超声流量计测量管段,其结构布局如图2所示。管段直径D=500mm,36个超声换能器组成18声道,布局在交叉垂直的两个平面上,每个面上9个弦声道,轴向角φ=45°。超声换能器直径d=15mm,采取插入安装方式,换能器端面完全伸入管段内。弦平面与管道轴线中心平面夹角分别为:18°、36°、54°、72°。单平面超声流量传感器即使采取Gauss积分方法也不能够完全剔除非对称横向流的影响,因此在测量示值中存在着非对称漩涡成分。如果采用图2所示超声流量传感器结构布局方式,那么由紊流脉动引起的净扰动速度为vc,error,net=vc,error(+)+vc,error(−)=0.(3)vc,error,net=vc,error(+)+vc,error(-)=0.(3)可见安装面采用双面垂直交叉布局,从原理上剔除了紊流脉动的影响,具有自诊断能力,冗余声道提高了测量精度。如图2所示,对其中任意一个弦声道可以得到体积流量为Q=∫+R−R2z⋅u¯(y)dy.(4)Q=∫-R+R2z⋅u¯(y)dy.(4)其中:z=R2−y2−−−−−−√,v¯(y)=12z∫+z−zv(z,y)dzz=R2-y2,v¯(y)=12z∫-z+zv(z,y)dz。也可表示为Q=2R2∫+1−11−x2−−−−−√⋅u¯(r)dr.(5)Q=2R2∫-1+11-x2⋅u¯(r)dr.(5)其中:r=y/R,u¯(r)r=y/R,u¯(r)为面平均速度。多声道加权流速计算表达式为∫+1−1f(r)⋅1−r2−−−−−√dr≈∑i=1Nwif(ri).(6)∫-1+1f(r)⋅1-r2dr≈∑i=1Νwif(ri).(6)式中,f(r)为沿着声程的空间平均流速剖面,引入1−r2−−−−−√1-r2平滑了f(r)函数中沿着测量管段扰动的增加或减小。设计权重wi可根据声道布局位置由Gauss积分方法计算得到。如表1所示。程度越大,φ=60°时偏差大到35%。又从图5可以发现,超声传感器流速剖面在轴向距离x/D=5处,结构参数依赖误差可以从0.8变化到1.08。5流量计量表及多声道配置随着南水北调、三峡大坝等大型水利工程的兴建,水大流量测试计量成为急需解决的难题。超声流量测量因其成本不随测量管径的增大而增加成为大流量计量的首选流量仪表。多声道配置能有效提高测量精度,特别适用于上下游直管段长度等安装条件不满足要求的工程场合。三峡工程水轮机上游直管段长度不足2D,下游直管段长度不足1D,安装条件恶劣。设计管径D=500mm的18声道双平面超声流量传感器用于三峡水轮机效率的模拟测试实验,测量结果如表2所示。6测量结果及测量模型材料在典型时差式超声流量计的基础上设计了18声道超声流量传感器,给出了理论模型,分析了结构参数对模型的影响,并在三峡工程水轮机效率模拟测试中得到应用。所建立的18声道超声流量传感器模型能够反映工程实际,正确有效。1)双平面多声道结构布局设计从原理上剔除了紊流脉动的影响,提高了测量精度