速度分布對超聲流量計性能的影響

摘 要：本文介紹了單路和多路式超聲流量計在不同安裝條件下的測試情況，其中包括流量計內(nèi)管的流速分布測量和常見上游擾動形式對流量計性能的影響。測試的擾動源有單彎頭、平面雙彎頭和非平面雙彎頭三種形式，其中有的擾動源下游還另配了整流器。被測的超聲流量計為單路和多路式各兩臺兩種品牌。這次測試工作是由氣體研究學(xué)會（GRI）資助，并在位于西南研究院（SwRI）的GRI測量研究裝置MRF上完成的。測試結(jié)果表明：在天然氣計量站中，氣體流量計上游的典型管路配置所產(chǎn)生的流速擾動，至少需要100倍管徑長度的直管段才能*予以消除。超聲流量計對流速分布發(fā)展情況的敏感程度隨其類型的不同而不同。整流器雖能減小流速擾動，但并不總是有益于流量計的性能。測試結(jié)果還表明：流速擾動引起的流量計性能漂移可以通過實測的流速分布圖計算出來。
 

一、序　　 言
 

　　 自從超聲流量計一誕生，人們就知道流體的流速分布形態(tài)直接影響超聲波束穿過流體的時間差，而波束穿越時間則是推算流量所必需的測量參數(shù)，將它的測量值與流量計的幾何參數(shù)結(jié)合起來，就可以計算出對應(yīng)單次波束測得的線平均流速。但流量測量需要流量計處的體平均速度。從線速度到體速度的換算方法有兩種選擇，一種是切實掌握流速的實際分布形態(tài)，一種是選用一路或多路通道使流速分布形態(tài)不影響流量計量。這些流速分布形態(tài)可以是事先假定的，也可以由多聲路測量法實際測定。單路式超聲流量計一般都是基于一種假定的流速分布形態(tài)，結(jié)果它對實際形態(tài)上的偏離很敏感；對于典型配管布置所產(chǎn)生的速度分布，多路式超聲流量計的敏感程度較單路式要小。
　　 經(jīng)常與其它流量計配合使用的整流器，也可以提高超聲流量計的性能。整流器能夠提供與流量計的要求相一致的流速分布形式和／或消除可能降低流量計性能的流速擾動（如旋渦）。
　　 本文闡述了常見管配件（經(jīng)簡化的，整流器可有可無）對流速分布產(chǎn)生的影響與單路和多路式超聲流量計計量性能之間的關(guān)系，并通過測定流量計內(nèi)管流速分布圖和上游管配件對流量計測量誤差的貢獻大小說明了這一關(guān)系。另外，本文還提供了利用計算流體力學(xué)方法（CFD）預(yù)測超聲流量計計量／工藝性能的驗證資料。這種CFD模型的驗證結(jié)果提高了事先預(yù)測很多管配件對超聲流量計性能影響的準(zhǔn)確性，而這些管配件在流量計的安裝過程中是有可能經(jīng)常遇到的。
 

二、測試方法
 

　　 這些測試試驗是在位于西南研究院的氣體研究學(xué)會所屬測量研究裝置上進行的。測試的管件配置形式有多種，測試樣機有4臺，單路和多路式超聲流量計各2臺，它們均是可以直接用于貿(mào)易交接的8 in超聲流量計，而且均由制造商無償提供給本次試驗。具體的測試工作是在以經(jīng)過稱重罐標(biāo)定的臨界流噴嘴為基準(zhǔn)的GRI-MRF高壓回路（HPL）上進行的。測試方法在過去已做過介紹（參見Grimley和Bowles的1997年文獻）。另外在這些測試試驗中，有的管配組件還包括了整流器。
　　 流速分布圖是采用專為流速分布測量而設(shè)計的直筒測量管測定的，它取代被測流量計，并經(jīng)過精心安裝和調(diào)試，以確保流速測量點的準(zhǔn)確定位。安裝在測量管外的探頭自動運動系統(tǒng)可以在測量管圓周方向的四個測量位置上使用，因此可以探測到測量管直徑方向上的任意一點上的流速。
　　 對于各速度分布截面，動壓測量采用45 o 增量，沿管徑7.981 in方向上采用0.25 in的步長。測量用的壓力傳感器是聯(lián)合傳感器（United Sensor）制造的3孔"W-探頭"。"W-探頭"配置的中心孔可以測定綜合動壓，并用于計算局部流速。旋轉(zhuǎn)探頭直至兩端開口上的壓力平衡，探頭的旋轉(zhuǎn)角度則可用于測量周向流動的角度。通過基于步進電機的運動控制系統(tǒng)和基于PC機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以測量并控制探頭的位移量、旋轉(zhuǎn)量和壓力值。
　　 為保證流速分布測量點上的流速測量與MRF臨界流噴嘴的基準(zhǔn)流速的測量同步，流速分布測量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也由MRF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制。同基準(zhǔn)流速的計算方法一樣，平均流速也用于每個流速分布點的測量值的修正。