超聲波流量計研究技術

1.超聲波流量計系統(tǒng)誤差源的理論研究

造成超聲波流量計系統(tǒng)誤差的根源主要來自三個方面。*個方面來自流量計本體的結構及度，第二個方面是來自對于測量流體介質及其流動狀態(tài)了解和把握的認知程度，第三個方面是來自安裝使用的合理性。這里主要討論*和第三個方面的偏于結構和應用方面的理論研究內容。對于流體介質則采用熟知的水介質，不作為本文的重點研究內容。

依據(jù)文獻[1]中給出基于納維一斯托克斯微分方程（N—S方程）數(shù)值解的超聲波流量計理論模型可以研究任何影響項的內容，因此給出本文重點關注內容的表達式由（1）、（2）給出

式中α為流量系數(shù)，它既引入了彎管流量計本體結構內容也包含了有關安裝使用的內容

其中，
V為平均流速；Re為雷諾數(shù)；Ma為馬赫數(shù)；R/D為彎管彎徑比；（D1，D,2）為前后直管段管徑；（ L,L2）為前后直管長度；（λ1，λ2）表示外側取壓孔位置；（λ3，λ4）表示內側取壓孔位置；△為管道內壁粗糙度； 為彎管流量計的安裝偏轉角度。
通過確定上式所有參數(shù)并且求解N—S方程就可以得到如下基本理論研究結果。
1.1 彎徑比R/D的變化對于彎管流量計測量準確度的影響是顯著的通過帶人不同的彎徑比數(shù)值可以得到N-S方程的數(shù)值解α（Re）如下圖2所示

圖2給出的研究結果表明，表征超聲波流量計的特征參數(shù)，超聲波流量計性能具有顯著影響，因此確定并且嚴格控制超聲波流量計的彎徑比參數(shù)是研制高精度超聲波流量計產(chǎn)品的重要控制指標內容，也是實現(xiàn)超聲波流量計如同其它差壓式流量計建立干標定檢定規(guī)程的重要內容。
1．2 差壓壓力測量孔準確位置的確定對于超聲波流量計的測量準確度也具有特別重要的影響為分析超聲波流量計差壓壓力測量孔位置對準確度的影響，通過進行N—S方程數(shù)值計算和對應實驗發(fā)現(xiàn)其影響也是不可忽視的。圖3同時給出了對應超聲波流量計內外側母線壓力分布的理論計算曲線和實驗測定的壓力值。

圖3 彎徑比為1．5的超聲波流量計內外側母線的壓力分布

由圖3可知，隨取壓角度位置變化，內、外側母線壓力產(chǎn)生較大變化，對于超聲波流量計45度常規(guī)取壓結構，其內側45度附近壓力梯度變化更大。因此準確確定超聲波流量計內外側壓力測量孔的位置對于高精度產(chǎn)品的研制和批量生產(chǎn)也具有特別重要的意義。
1.3 直管段管徑D1，D2與超聲波流量計管徑D產(chǎn)生偏差的影響超聲波流量計的應用過程也和所有流量計遇到的情況一樣，經(jīng)常是直接采用了既有工藝系統(tǒng)的工藝管道作為超聲波流量計的直管段，因此直管段的管徑D1，D2與超聲波流量計管徑D產(chǎn)生偏差是經(jīng)常存在的。圖4給出了根據(jù)直管段管徑偏差求解N—S方程得到的流量系數(shù)α與管徑比D1/D的影響關系曲線。

應用現(xiàn)場的工藝管道與專門定制了管徑的流量計發(fā)生1％ 級別的偏差情況是經(jīng)常發(fā)生的，其根源在于作為與流量計連接使用的直管段通常采用既有工藝管道，而我國的工藝管道通常又是以管道外徑為名義尺寸生產(chǎn)制造的、并且其管道壁厚具有多個系列。這樣就導致不能確切知道直管段管徑與超聲波流量計管徑偏差的大小和方向，產(chǎn)生的測量誤差往往就歸類為隨機誤差的范疇。因此對于高精度使用的超聲波流量計必須如同使用噴嘴和孔板流量計一樣，對直管段管徑也要提出嚴格配套的要求。

圖5給出了超聲波流量計由于安裝產(chǎn)生角度偏差β（左圖）引起超聲波流量計內部壓力分布的變化（中圖）和引起流量系數(shù)α變化（右圖）的N—S方程的數(shù)值圖線。通過對安裝產(chǎn)生角度偏差β影響流量系數(shù)的分析說明在安裝彎管流量計的過程中必須嚴格保證其中心軸線與連接直管段中心軸線的相切連接關系，任何微小的偏轉安裝都會產(chǎn)生明顯的測量偏差。

比較超聲波流量計與其它直管道流量計使用的zui大特點是超聲波流量計必須安裝在工藝管道的轉彎處。在超聲波流量計僅僅采用標準9O度的彎管結構情況下，現(xiàn)場安裝幾乎無法控制直管與彎管的相切連接，極易產(chǎn)生角度偏差。這是發(fā)生在超聲波流量計實際應用中的一個*的難題，也是關系到其能否實現(xiàn)高精度應用的難題。因此，考慮到工業(yè)應用現(xiàn)場難以控制安裝偏轉角度的實際使用困難，就需要在彎管流量計產(chǎn)品出廠前帶有一段符合裝配標準的直管段，把現(xiàn)場安裝轉化成直管對直管的對接安裝，避開產(chǎn)生安裝偏轉的角度定位難題。
能夠確保9O度彎管與直管段相切連接的zui可靠的辦法無疑是一次成型的數(shù)控：鈿工方法。這種加工方法既可以保證9O度超聲波流量計本體的高精度成型加工、也成功的解決了與直管段的相切連接的應用難題?；贜—s方程數(shù)值解的超聲波流量計系統(tǒng)誤差源的理論研究還得出了超聲波流量計前后直管段的長度、超聲波流量計內表面以及直管段內表面粗糙度等相關內容對于超聲波流量計測量準確度的影響結果。這些研究結果將隨著深入配套的實驗研究確定后進一步闡明。