超声波气体流量计的管道模型仿真和误差分析

谢宗宝 陈英 李芹宴 赵小彬

摘要：超声波气体流量计的使用越来越规范化，因此为了满足超声波气体流量计的精度需求，需要改进传感器的设计精度，针对影响超声波气体流量计测量精度的原因进行分析，结合数值仿真技术以及实验技术，对管道内流场设计参数进行分析。通过试验结果可以证明，分析超声波流量计误差所产生的原因、范围，并通过合理的流场修正参数，可以有效降低测量误差，由此提高超声波气体流量计的精度，为实际工程应用提供指导性建议。

关键词：超声波气体流量计;管道模型;误差分析

随着现代化工业的飞速发展，流量测量的应用领域逐渐扩大，已经成为工业生产中最为重要的部分，目前流量测量的方法有很多种，其中超声波气体流量计的应用已经得到了广泛认可。目前国内外对超声波气体流量计的使用已经取得了较大的进展。利用超声波在流体中的传播速度来计算流体的流量，随着互联网技术的发展，使超声波气体流量计的数据处理更加方便、准确，甚至具备自检功能，能够自动分析管道中流场分布变化而导致的误差。

1超声波气体流量计的特点

1.1安装维修方便

超声波气体流量计与其他流量计相比，在进行安装过程中不需要在管道上打孔或者将流体进行切割，就能够直接安装。因此超声波气体流量计在安装较为方便，对于大口径的计量系统而言，超声波气体流量计的安装优点就更加突出，能够有效节省大量的人力物力。

1.2测量管径大

超声波气体流量计内部并没有任何的阻碍物，甚至不会出现可移动的零部件。不会影响流体的流动速度，由此超声波气体流量计适用于难测介质以及大管径测量。超声波气体流量计的测量管径要远远大于传统的流量计，而超声波气体流量计的价格不会因为不良管径的大小而出现变动。

1.3测量可靠度高

不管采用哪种方式超声波气体流量计都不会对管道内的流场造成影响，并且不需要移动各种部件，因此不会存在压力损失。另外，超声波气体流量计的传感器是以计算机为中心，在进行数据计算过程中增加了信号的稳定性，排除其他外界因素的影响，因此所测量的精度具有较高的可靠性。

1.4外界影响小

超声波气体流量计在测量过程中与其他流量计有所不同，超声波气体流量计不会受到流体物理特性的影响，其输出量和输入量之间处于线性关系，因此，超声波气体流量计的测量范围较广。

1.5自动控制系统

利用计算机能够对超声波气体流量计进行自动控制，并将测量结果进行显示。另外，还具备标准的通用接口输出标准的直流信号，可以实现与计算机监控系统之间的有效结合，进而实现超声波气体流量计的实时监控。

2管道的建模和数值模拟

2.1仿真模型建立

在管道系统中弯管是最基本的结构件，弯管主要安装在测量管道的上游，在模型建立过程中，阀门、整流器等其他阻流元件都能够与弯管进行组合。通过分析弯管对管路流场的影响建立起3D模型。

模型主要有入口缓冲管道、上游弯管、检测直管道、出口缓冲管道等部分组成，根据工业生产中的实行标准，弯管的半径是管道直径的1.5倍。为了确保气体能够充分流过上游弯道达到下游的测量值管道，因此需要设置合理的缓冲管道长度，管道利用法兰进行连接，并且在不同的位置设置检测截面。

2.2管道下游流场二次流与流动状态分析

当气体流过弯曲管道后会呈现二次流状态，最为常见的二次流状态为泰勒流、迪恩涡等类型，其中最主要的影響因素为雷诺数和迪安数。当气体流过弯道后，管道二次流强度会受到雷诺数和管道尺寸的控制，因此在几何尺寸固定的状态下，气体的流速越快形成的涡流强度就会越大。利用仿真模型可以发现，下游直管道二次流速会呈现出涡旋的分布状态，当测试距离离弯管尺寸越大，则二次流强度就会减弱。由此可以说明气体的流动状态会受到弯曲管道的影响。

2.3仿真设定

为了能够减少次要因素的影响，专注弯管影响的流场分析。将仿真模型工作集中于以下5个方面：

（1）由于超声波气体流量计的安装环境较为特殊，因此需要设定气体流动状态，通过设置入口管道初始气体流速，研究雷诺数的变化对测量精度的影响。

（2）调整管道弯曲角度，证实管道角度变化与测量精度之间的关系。

（3）调整测试点到弯道的距离、管道直径尺寸，得出几何因素对流量精度的影响。

（4）针对管道的使用年限，确定管道内的污垢是否对气体的流动产生影响，以及不同尺寸的管道壁粗糙程度对仿真数据的影响。

（5）对各种因素的影响程度进行详细分析，得出相对应的误差容限表。

3数值模拟结果分析

在日常管的连接过程中，各种角度的弯管都会得到广泛使用，因此利用软件模拟设计，弯管角度从15°到90°之间的管道模型。

气体流场固定截面流速相对误差会随着弯管角度变化而形成相应的曲线关系，测量不同角度弯管下的流体误差，实验结果表明，随着弯管角度的不断增大，相对误差会形成递增变化，其变化的轨迹近似于抛物线。由此可以说明，弯管角度的变化是影响流体损失的一个重要因素，弯管角度越大所形成的流体损失就会越大，会直接影响到下游流程的流量计算结果。

当气体流过弯管时，对下游直管道进行测量，气体流速误差相对于雷诺数的变化趋势，由此可以说明，气体流速误差会随着湍流程度的大小而出现明显增加。在湍流不完全发展的阶段中，相对误差会随着湍流程度的增加而呈现出递增变化，在曲线图中的增幅较为明显。

4结束语

利用仿真技术研究了超声波气体流量计在管道流量测量中精度与流场参数变化之间的关系。分析超声波气体流量及出现误差主要受到管道角度、雷诺数、流量计安装位置等因素影响。利用定量分析的方法可以为误差因素提供更加准确的分析结果。通过分析超声波气体流量计在运行过程中的实际变化情况，对超声波气体流量计进行优化设计，降低在测量过程中的误差，进而提高工业生产的经济效益。

参考文献：

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