超声流量计探头扰流影响的流声耦合研究

88

测控技术

2018年第37卷第5期

•

費無感__微■钦表

超声流量计探头扰流影响的流声耦合研究

赵文1>2,胡鹤鸣2,樊尚春1

(1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191; 2.中国计量科学研究院，北京100029)

摘要:超声流量计测量过程中探头对流场的干扰是流量计系统偏差的重要组成部分，为探究超声流量计

探头大小和结构设计所引起的扰流效应，计算实验室实流校准的修正系数，对超声探头扰流影响进行了 流声耦合仿真，定量分析了声道速度分布、探头声压信号及其与实测速度之间的关系，得到了小口径流 量计探头扰流的系统偏差；并利用分段加权平均的方式，进一步推导了更长声道长度情况下的探头扰流 系统偏差。

关键词:超声流量计；系统偏差；流声搞合;仿真分析

中图分类号:TK313;TH71

文献标识码:A

文章编号：1000 -8829(2018)05 -0088 -04

Research on Flow-Acoustic Coupling of Transducer Disturbing Effect

On Ultrasonic Flowmeter

ZHAO Wen1 HU He-ming2, FAN Shang-chun1

(1. School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China;

2. National Institute of Metrology, Beijing 100029, China)

sonic flowmeters. In order to explore mechanism of the size and configuration of the transducer disturbing effect

and calculate laboratory flow calibration factor, the flow-acoustic coupling simulation of a small-diameter flowmeter is introduced. The systematic deviation was obtained by quantitative analysis of velocity distribution along acoustic path, acoustic pressure signal on transducer surface, and the velocity measured by flowmeter. In addition, the systematic deviation under longer acoustic path length was further deduced using a piecewise weighted average method.Key words： ultrasonic flowmeteratic; systematic deviation; flow-acoustic coupling; simulation analysis

超声流量计由于其无压损、易安装、精度高等优 点，近年来得到了广泛应用。超声流量计是通过测量 超声波在流体中顺流和逆流的时间差，计算声道上的 平均流速，再对不同声道高度的平均流速进行积分，从 而求得流量[1]。常见的探头安装方式如图1所示[2]，在探头附近容易产生旋涡，影响了时差的测量。

郑丹丹[3]、张亮[4]等人分别利用CFD方法和实流 实验研究了不同探头插入深度时超声流量测量的偏 差。为了分析系统偏差的来源，Loland等利用PIV、

/Abstract： The disturbance flow caused by transducers is an important source of systematic deviation of ultra­

Raigutis R[5]对探头空腔内的流动也进行了细致的实

验研究。两人的研究关注点在于流场，实际上流量计 测到的声波信号里体现了波束范围内流动的影响和壁 面反射对声波信号的干扰，流场和声场两者耦合作用 共同造成了流量测量的偏差。

声道吟/

广 换能器,

■器

‘， 声道线

厂换能器^

LDV和CFD研究了探头空腔内的局部流动结构；

收稿日期:2017 -08 -08

，换

能,换能器

(a)斜插式安装 （b)直插式安装

超声探头安装方式

D

基金项目：国家重点研发计划（2017YFF0206303);质检公益性

行业科研专项（201510003)

图1

为了研究超声流量计探头扰流影响的机理，合理 修正探头扰流影响造成的系统偏差，利用多物理场仿 真软件对图1(a)中的管道模型进行了流声耦合仿真，

作者简介:赵文（1991—)，男，山东青岛人，硕士研究生，主要从

事超声测流技术研究。

超声流量计探头扰流影响的流声搞合研究

分析了管道探头模型中的流场细节和超声波耦合传播 方式，并通过互相关算法计算时差，探讨了探头扰流和

壁面反射作用对流量测量的影响。

1计算模型

仿真计算采用多物理场建模软件COMSOL。首先

进行流场仿真，计算模型为带有一对超声探头安装孔 的管道，长度为300 mm，直径为70 mm，探头安装孔直 径为14 mm，按照45°声道角分布于管道两侧，如图2 所示。流场仿真采用不可压缩流动湍流模型来模 拟管道中流场的流动过程，并用PARDISO算法进行稳 态求解，管道平均流速为3 m/s。

图2流场仿真计算模型

声场仿真时，在探头端面添加振动条件，振动速度 ^可表示成高斯曲线的形式[6]，

u=Asin(2Trf0t)exp[ - (f〇(t-3yr) )2]

(1)

式中，/〇为振动频率为振动幅值。假设理想介质水 域为连续介质，声波在水域中的能量损耗为零，利用声 波在流体中的连续性方程，并通过mumps算法进行 瞬态求解，对声波在水流中传播的方式进行仿真，

J1Y ^+J1

y(V0-V)P + (u-V)p〇+JP

C〇 yV-V0+p〇V-u=0

C〇

c0f⑵

说 + (V0.V)u + (u.V)V0+丄Po c0 c0p0式F中，p为声压;p。为流压力;p。为流密度;c。为声速; 。为流速。本文中声速C。设置为1481 m/s。分别在 探头A、探头B端添加式（1)振动速度II，为减少计算 量，设置了较低的振动频率(〇• 2 MHz)。

2仿真结果分析

2.1流场仿真结果

计算得到的探头处流场如图3所示，探头附近存 在旋涡。把探头端面分别分为5个区域，以5个区域 的中点作为计算依据，分别提取5条连 线上的流速分布，比较不同区域的流速变化，如图4所 示。各个点与中心M的距离为3. 9 mm。

图4中横坐标表声道方向探头面与声道中心的 距离;纵坐标表示声道方向的流速，A至B方向流速为 正;R区域与L区域流速分布相同;Ref是指参考位置

• 89 •

即未受到探头扰流处，壁面连线之间的区域。探头A 的D区域和探头B的U区域流场有明显的速度变化， 这是因为在探头安装孔处形成了旋涡，流速在这两个 区域内变化最为剧烈，而且相对流场而言，L安装孔内的 旋涡方向和大小并不相同;M区域和区域处的流场 相类似，受旋涡影响较小。

图4声道线及上游参考处的流速分布

2.2声场仿真结果

图5展示了探头A发射超声波时，超声波的传播 过程。在探头A、探头B的壁面处，超声波发生了反 射，反射信号和原信号相互叠加，造成了接收面声压的 不对称，进而影响传播时间的测量。探头B接收声压 的分布情况如图6所示，声压在接收面上非均匀分布， 在接收面上分布一个低压区，低压区中心位于中心偏 下游的位置。

图7为超声传播过程中不同位置声压振幅的分布 情况，其中位置1〜位置5已在图5(a)中标注，统计的 是声波经过该位置的声压变化的振幅。在探头A处 的壁面反射造成了发射声压分布的畸变，在传输过程 中逐渐减少了它的影响，所以探头B所接收的声压主 要受到B处壁面反射的影响，在探头B附近低压中心 从上游逐渐向下游移动。2.3传播时间及流速计算

由于旋涡和壁面反射的影响，靠近探头边缘区域 的声压曲线存在一定畸变。探头B不同区域接收的 声压与平均声压的关系如图8所示。其中实线代表平 均声压，虚线代表M区域处的声压变化。声波传播过

• 90 •程中，受到不同声波传播路径和壁面反射的影响，接收 面不同位置，M接收声压幅值与过零点有明显的区别。 区域处声压曲线幅值略高于平均声压曲线、过零点 与平均声压曲线接近;U区域和D区域处声压曲线过 零点与平均曲线有较大差异。

-60

(b)声波传至接收探头(时间=5 X KT5) 图5

声波传播过程中的声压分布

图6探头B接收的声压分布

114120

0 100 200 0 100 200 0 100 200 0 100 200 0 100 200

⑴ (2) (3) ⑷ （5)

声压/Pa

图7

声束范围内的声压分布

《测控技术》2018年第37卷第5期

图8

探头不同区域声压曲线的比较

由于探头不同区域声压变化曲线的差异，采用平

均声压曲线来计算时间差，平均声压的计算结果接近 声压中心，而且有更好的稳定性。探头A、探头B接收 到的平均声压变化曲线如图9所示，探头A由于流体 的减速作用收到波形略晚，两个波形的相似度较高。 利用互相关函数计算时差M

m:及 〇) =

7X = 1

=0,土 I土2,… ⑶

式中，^(⑷和y2( w)为探头A、探头B接收声压信

号;w为数据长度，由互相关理论，当互相关函数取得 最大值的时间位移，对应的是两波形之间的时差。对 进行优化求解，假设在％点处取得最大值，可 以求得时差仏：

= ⑷

图9接收声压的平均值随时间的变化

实际流量计测量时，通常是通过正逆向传播时间

和时差仏计算流速，由于流速远小于声速％«

c。，可以进一步得到：

2

,=LAt _ A钇〇

/5)

m ~2t,t2 ~ 2L { }式中，L为声道长度。将仏代入到式(5)中，可以解得 声道方向的平均流速声场仿真计算中，At =1. 986 X 10 7 s，Z/ = 113. 0 mm，求得 F’ = 1. 928 m/s。

超声流量计探头扰流影响的流声搞合研究

对比管道流场计算结果，对声束范围内流速取平

均值，求得= 1. 934 m/s，未受到探头扰流区的声道 方向平均流速匕=2.247 m/s，求得声场和流场计算 的系统偏差五分别为-14. 2%和

-

12. 5%

。

两者的

差异体现了壁面反射对修正系数的影响。

E = Vm~ Vm

^ m

x 100% (6)

3推论和讨论

超声探头对流场的扰动通常只发生在探头附近一

定范围内，该范围之外流场与上游充分发展的流场相

同，因此可以用加权平均的方式将第2节中的计算结 果向更长的声道进行推论。在图10所示的探头安装 方式下，声道角度为^探头直径为Z

)。假设探头在一

定范围内影响流场，上下游流场受影响的范围为6,所 以将流场沿声道方向划分成3个区域，分别为两端的 流场受影响速度区和中间的非影响速度区。

通过流场和声场耦合仿真计算3个区域内平均投 影速度，然后用加权分析的方法计算凸出效应造成的 系统偏差，如式(7)所示。

r V.b + V^ + ViL-lb-DcoUp)Vm = L-Dcot(p(V[+Vf2)(b+

ycot^) +V(L-2b- Dcot2分别为未受到探头扰流处上下游受影响

速度区，1

声道方向的平均流速;

R、F'2分别为探头扰流

处，上下游受影响速度区，声道方向的平均流速；F为

L非影响速度区，Zp

声道方向的平均流速。其中几何尺寸

、)、为固定值，可以精确计算，所以确认6的 范围和

R、F'2的值是确定修正系数的关键。

通过对图4分析可知，在这种安装方式下，在管道 中心位置附近，各方向的流速是相近的，流速差值小于

• 91 •

1知，可以认为管道中心附近为非影响速度区;在管道 中心两侧，不同区域的流速变化情况不同，可以认为受 影响速度区的范围6 =3.535/)。通过耦合仿真计算， 将非影响区域的流速平均值 = 2. 458 VIFm/s

和平均声

压计算流速值 = 1.928 m/s带入式（7)中，求得上 下游影响区域内的平均流速(R + F'2)/2为1. 928 m/s。

再利用式(7)进行加权计算，可以推算出更长声道时 的探头扰流影响，设定非影响区域的流速为1pZ差E

，求得不 同管道口径下，流速的系统偏mm

如表1所示，其中 声道角度 =45°，探头直径) = 14 。

表1探头斜插式安装不同管道口径下流速的系统偏差

D/ mm

L/mmDcot(p/LE1003001559.01%0.9400vm0. 8434v，m3.19%0.9800-10.3%-3.6%100030004257

14284380.98%0.33%

0.99400.94450.99800.98300.9943

-1.1%-0.4%

4结论

超声流量计探头局部结构带来的扰流效应造成了

其流量测量的系统偏差，这一偏差通常利用实验室实 流校准来修正。为了更好地分析探头扰流影响机理， 利用多物理场仿真软件对其进行了流声耦合分析，主 要结论如下：

① 探头凹坑内存在低速区且有漩涡，声束范围内 各区域的平均流速与探头中心区域上的平均流速不 同，再加上探头附近的壁面声波反射，造成探头端面不 同区域接收到的声压信号有差异，流量计测到的声波 传播时间体现的是声压信号统计平均的结果。

DN② 对于带有直径14 mm

的斜插缩进式探头的

70流量计，按照探头收到的面平均声压信号计算

时差，探头扰流造成的系统偏差约为_ 14. 2%。

③

在仿真结果的基础上，假设探头扰流影响范围

只限于其附近一定范围，利用分段加权平均的方式，推

导了更长的声道长度情况下的探头扰流系统偏差，发 现该偏差均为负偏差，其绝对值近似等于探头缩进比， 随着声道长度的增加而降低。参考文献：

[1] 胡鹤鸣，王池，孟涛.多声路超声流量计积分方法及其准

确度分析[J].仪器仪表学报，2010,31(6) :1218 -1223.[2] 曹中华.超声波流量计在水平衡测试中的误差分析[J].水科学与工程技术，2016(3) : 19 -21.

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Zheng D,Zhang P,Xu T. Study of acoustic recesstransducer protru­

sion and effects on ultrasonic flowmeter bynumericalMeasurementmeasurement simulation [ J ]. Flow & Instru­mentation, 2011 ,22(5) ：488 -493.

(下转第99页）

全海深

ARV水下LED调光驱动电路设计

与所测

Ip

间的关系式可以求得所检测电流值。

2.3调光驱动电路设计

大功率PWM调光驱动电路设计如图4所示。

图4中电阻^端为PWM输入端，PWM的频率设为1〜10 kHz之间，当PWM高电平为5 V时，电阻只2 选择 19kft ，当 PWM 3.3 Vd,

穴2选择12 kQ , &

的作用是PWM 保护，

置为1kQ

可。

的

有A

，为开路保护，

置为1kQ〇D1 ，作用是吸收

：

。Q

G是 1#的 ，主要作

用是滤

中的高频毛刺，使芯片能够稳定工作[9]。

2.4主要参数计算

①

系

出规格参数：

:FIN=19〜29 V，典型值为24 V;

出典型值 ：_ = 12 V;

出

：,out=4A;

出纹波 ：0.5% x F〇ut。

用式（2)i 出功率为48 W，故选择XL4016

驱动

，开关频率为180 kHz，

率94% :

②乙1感的选择。

感的选择由Fin

Kut之间的压差 ，根据

芯片的开关频率， 式的 下，电感最小值计

式

(Finmax 飞ut) ><(^)

0. ⑶

3 x /〇ut x

FSw

式中，&W开频率，代入可得电感最小值为52. 08

pH。电感最小饱和

出

的1.5

，所以选

择电感饱和

6 A，电感量大于52. 08 pH。

③Cin

的

。

會泛、滤波

作用，只

的均值方根（RMS)。输入

值方

式如下：

Tout C V〇ut

in:

xAVin x Fsw x VIN

⑷

x

/V0UT x ( VIN ~ V0UT )

/rms ~ /out

(5)

V

(Vin)2

输入电容Cin选70. 17 pF，耐压按照1.5倍的最

• 99 •

大

进行选择，所以 选择RMS 大2 A，

大于36V的 。为了达

较好

的出 ， 出接口并联一个0. 1〜1 pF的电

容用

频

。

④C〇ut出 的选择。

出

值

能够

的

大

出

纹波

和

时输出 的最大偏 ；当负载突

时，转换器 2〜3

时

来对输出 下降

出反应， 器做出反应 ，输出电容

的

。

合适的输出电压下冲需要的最小输出电容容量

计算式如下：

^olout ^

((oh ~ /) x 3

卩SW x F⑻

us

合适的输出电压过冲需要的最小输出电容容量

计算式如下：

〔/2〇h ~/〇l

out

(〇ut+ V

os)2~ F〇u

L

(7)

式中，，0L

值，取值为1 A;〇h

值，取值为5A;us

出下

，假设

Vus<0. 25 V；V〇s 出过 ，假设 V〇s <0.25 V。

代

可得 C〇ut>200 pF。

3试验验证

2.3

出的主要参数设计水下灯驱动电

路，如图5

。

图5

水下灯驱动电路

(上接第91页）

[4] Zhang L,Mang T,Wang C,et al. Probe installation effects on

the accuracy of feed thru ultrasonic flowmeters [ J ]. Chinese Journal of Scientific Instrument ,2012,33 (10 ).

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