張易農(nóng)，彭 靜，程耀華，瞿 蒙，姚 敏，鄭 睿

（北京市計量檢測科學研究院，北京 100029）

多種超聲流量計對氣液兩相流流量計量的試驗研究

張易農(nóng)，彭 靜，程耀華，瞿 蒙，姚 敏，鄭 睿

（北京市計量檢測科學研究院，北京 100029）

超聲流量計廣泛應(yīng)用于生活供排水、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域流體流量的計量。受實際工況影響，管道內(nèi)流體的流態(tài)呈現(xiàn)復雜多變的特點，根據(jù)具體工況準確選擇流量計對保證測量結(jié)果精度、流量計更換頻率具有重要影響。針對實際工況中常出現(xiàn)的氣液兩相流流態(tài)下的流量精確測量問題，通過對單聲道反射式、外夾式、三聲道超聲流量計在該流態(tài)狀態(tài)下5個典型流量值附近進行測量，將檢測量值同稱重法流量標準裝置測量值進行對比，實現(xiàn)各流量計計量特性評估。試驗結(jié)果表明：不同類型的流量計有著不同的使用條件和范圍，對其在實際工程中的應(yīng)用具有重要的指導意義，為用戶使用流量計選型提供參考依據(jù)。

超聲流量計；氣液兩相流；流型；質(zhì)量法；計量

0 引 言

國外超聲波流量計的研究歷史可追溯到20世紀20年代[1]，而國內(nèi)在20世紀60年代才開始渦輪流量計、超聲波流量計和電磁流量計等相關(guān)設(shè)備的自主研發(fā)[2]。90年代以后，超聲波流量計可靠性和測量精度大大提高，開始廣泛應(yīng)用于生活供排水、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域流體流量的計量[3]。超聲流量計測量精度受工況影響較大，且在實際應(yīng)用工況中的流體普遍存在湍流、氣流兩相等流態(tài)，導致流量計量出現(xiàn)加大偏差。近年來國內(nèi)外相關(guān)科研人員在超聲流量計流場適應(yīng)性方面做了許多研究工作。鄭丹丹等[4]對超聲流量計在特定工況下的安裝和測量性能進行了研究。何存富等[5]針對在不具備充分發(fā)展安裝條件下，如何合理的選擇聲道數(shù)量和安裝角度等問題進行了研究。Calogirou等[6]從理論上分析了管道內(nèi)壁粗糙度對于流體流動性能的影響。Moore等[7]從理論出發(fā)分析了徑向聲道、正交聲道等7種聲道布置方式對23種湍流速度分布中常見的14種流量進行測量，研究聲道設(shè)置方式對流場流量測量精度的影響。Drenthen等[8]采用組合多種布置形式的聲道進行流量測量提高超聲流量計的流場適應(yīng)性。

實際應(yīng)用中，需要根據(jù)工況條件正確選擇流量計類型，否則不僅影響測量結(jié)果，甚至會引起儀表的損壞。本試驗針對實際工況中氣液兩相流流態(tài)下流量高精度測量的流量計選擇問題進行研究，分析了常用單聲道反射式、外夾式、三聲道超聲流量計在氣液兩相流不同流速下流量測量的精度，評估各傳感器的工作效能，為用戶流量計選型提供依據(jù)。

1 超聲波流量計測量原理

超聲流量計利用超聲波通過流體時可以載上流體的流速信號的特性，通過對穿過流體的超聲信號進行分析實現(xiàn)流體流速的測量，進而換算成流量。傳播速度差法超聲流量計參照測量參數(shù)不同可以細分為時差法、相差法和頻差法流量測量。圖1給出了時差法超聲波流量計測量原理圖。如圖所示，聲波在流體中的實際傳播速度是由介質(zhì)靜止狀態(tài)下聲波的傳播速度cf和流體軸向平均流速νm在聲波傳播方向上的分量組成。順流和逆流時超聲信號的抵達時間與各量之間的關(guān)系是：

式中：tup——超聲波在流體中逆流傳播的時間；

tdown——超聲波在流體中順流傳播的時間；

圖1 超聲流量計測量原理圖

L——聲道長度；

cf——聲波在流體中傳播的速度；

νm——流體的軸向平均流速；

φ——聲道角。

由式（1）和式（2）可推出流體流速與超聲波的傳播速度表達式：

超聲波流量計利用聲道測量線平均流速乘以流量修正系數(shù)和截面積求得流體流量[9]。多聲道流量計則根據(jù)不同的聲道布置和每組聲道對流場整體的反應(yīng)特性不同，分配不同的權(quán)重系數(shù)，計算流體流量：

式中：qν——流體體積流量；

D——管道直徑；

wi——i聲道的權(quán)系數(shù)；

Li——聲道的聲道長度；

φi——i聲道的聲道角；

t1i、t2i——i聲道順流和逆流的時間；

Δti——i聲道的時差[10]。

2 試驗研究

采用單聲道反射式、外夾式和三聲道3種不同的流量計對實際工況常見流體流態(tài)下的流量進行計量。3 種超聲流量計的工作原理見圖 2（a）、圖 2（b）和圖2（c）。試驗中將3種流量計安裝到同一條試驗管路上。啟動循環(huán)系統(tǒng)，分別使水及水、氣混合的氣液兩相流經(jīng)過3種被檢流量計后進入稱重裝置中。

2.1 試驗裝置

試驗裝置主要由水池、水泵、變頻器、穩(wěn)壓罐、管路、稱重裝置（換向器、電子秤）、溫度變送器、壓力變送器等設(shè)備組成，具體見圖3。該裝置滿足流量標準裝置建設(shè)標準[11]。

圖2 不同類型超聲流量計測量原理圖

圖3 試驗裝置示意圖

2.2 試驗過程

表1給出了試驗所選用的單聲道反射式、外夾式、三聲道3種超聲流量計的相關(guān)信息。

表1 3種超聲波流量計

氣液兩相流動中，相與相之間流動狀態(tài)的復雜程度，使得管道內(nèi)部的相之間呈現(xiàn)不同的流動形態(tài)，稱作氣液兩相流流型[12]。典型的流態(tài)包括泡狀流、柱塞流、斷塞流、波狀流和層狀流等。由于試驗中氣態(tài)流量遠大于液態(tài)的流量，為了防止氣體在管線頂部集結(jié)，影響外夾式超聲波流量計對流量的檢測，故將其安裝在管道軸線的水平位置。

3種流量計具體安裝位置如圖4所示。試驗開始后，水流經(jīng)3種流量計所在管路，最終流入稱重裝置，數(shù)據(jù)處理時需將質(zhì)量數(shù)據(jù)換算成體積。通過對比兩組數(shù)值，評測各種流量計的計量性能[13]。

圖4 流量計安裝位置示意圖

本文分別針對管內(nèi)流體是水及水、氣混合的1#及2#流態(tài)進行兩組試驗。每組試驗在5個典型流量值附近進行，每個流量值附近測量5組數(shù)據(jù)。將5次測量結(jié)果的平均值作為分析數(shù)據(jù)，具體見表2。進行試驗時，為保證稱重裝置的有效運行及數(shù)據(jù)準確，每組試驗的時間均為90s。其中，在進行水、氣混合狀態(tài)試驗時，先由穩(wěn)壓罐提供穩(wěn)定氣源，再由標準氣體體積流量計將進入管道內(nèi)的氣體流量保持在12m3/h，試驗的充氣時間為10s。

表2 5次試驗流量平均值 m3/h

3 數(shù)據(jù)分析

通過稱重方式測定的不同平均流量值為橫軸，流量計在不同平均流量值的示值相對誤差為縱軸。圖5是1#流態(tài)下，在不同平均流量下測量得到的結(jié)果。圖6是2#流態(tài)下，在不同平均流量下測量得到的結(jié)果。圖 5（a）～圖 5（e）分別表示在 3.000，3.500，4.000，4.500，5.000m3/h 5個典型流量附近下測得的不同平均流量值。

1#流態(tài)的試驗示值誤差數(shù)據(jù)如表3所示。其中，Q為5次的平均流量值，E為3種超聲波流量計5次相對示值誤差平均值。

圖5 在1#流態(tài)下，在不同平均流量下測量得到的試驗結(jié)果

圖6 在2#流態(tài)下，在不同平均流量下測量得到的試驗結(jié)果

1#流態(tài)情況下，單聲道超聲流量計[14]利用1對超聲波換能器收發(fā)超聲波，用1個點的流速計算流量，測量精度不高。外夾式超聲流量計在使用時，測量數(shù)據(jù)易受到安裝位置和管道材質(zhì)、壁厚、及管徑數(shù)據(jù)的影響，測量精度有限。三聲道超聲流量計[15]測流時在流量的斷面上布設(shè)了3對換能器，含有3個超聲波傳播路徑，通過精確地測量各聲道上超聲波沿水流順向及逆向傳播的時差，用加權(quán)積分的方法計算出流量，測量精度較高。表3中，單聲道超聲流量計累計體積偏大，呈現(xiàn)正誤差；外夾式流量計累計體積偏小，呈現(xiàn)負誤差。三聲道超聲流量計累計體積較接近標準值，示值誤差較小。

表3 1#流態(tài)3種超聲波流量計流量示值誤差

表4 2#流態(tài)3種超聲波流量計流量示值誤差

2#流態(tài)的試驗示值誤差數(shù)據(jù)如表4所示。在試驗管路中氣態(tài)流量大于液態(tài)的流量時，大口徑管道內(nèi)各點的流速均不同，單聲道超聲流量計利用1對超聲波換能器計算出的累計體積值偏小，出現(xiàn)了嚴重負誤差超差現(xiàn)象，準確度、可靠性大大降低。外夾式超聲流量計因管路內(nèi)流態(tài)是氣液兩相流，超聲波傳播信號衰減嚴重，質(zhì)量下降，換能器在管徑外壁接收信號時受到干擾，極大地影響了數(shù)據(jù)傳輸，計算出的流量值出現(xiàn)了較大正偏差。三聲道超聲流量計受管路內(nèi)氣液兩相流影響較小，3對超聲波換能器，3個超聲波傳播路徑，很大程度上克服了隨機性對測量的影響，獲得了高精度，高重復性的測量結(jié)果。

對比1#和2#兩種流態(tài)下不同類型流量計的測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單聲道和外夾式流量計測量精度隨液體流態(tài)復雜度的增加降低，而三聲道流量計的測量結(jié)果則較為穩(wěn)定，對流態(tài)的適應(yīng)性較強。

4 結(jié)束語

超聲流量計要根據(jù)實際工況正確選型才能保證其更好的使用，通過本次試驗可知：單聲道超聲流量計結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但對流場分布變化適應(yīng)相差，測量精度不易控制，更適用于簡單、流量穩(wěn)定的工況，在小口徑或測量精度要求不高的情況下使用。外夾式超聲流量計換能器信號的發(fā)射和接收必須通過管道、（襯里）和流體介質(zhì)，測量精度相對較低。一旦輸入壁厚、管徑等參數(shù)有誤，測量數(shù)據(jù)引入的誤差較大，不正確的安裝換能器甚至會使外夾式超聲流量計無法正常測量。三聲道超聲流量計改善了單聲道測量平均流速的不確定影響量，消除了現(xiàn)場安裝換能器位置的影響，可在復雜流態(tài)下得到較高的測量精度，適用于大口徑和流態(tài)分布復雜的工況。

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（編輯：劉楊）

Experimental study on gas-liquid two-phase flow measurement by using multiple ultrasonic flowmeter

ZHANG Yinong， PENG Jing， CHENG Yaohua， QU Meng， YAO Min， ZHENG Rui
（Beijing Institute of Metrology，Beijing 100029，China）

Ultrasonic flowmeter is widely used for flow measurement in the fields of water supply and drainage，agricultural irrigation and industrial production.As the flow regime in pipes shows complex and changeable characteristics in practical application，the correct selection of flowmeter has important influence on measurement accuracy and flowmeter replacement frequency.To the problem of accurate flow measurement in the gas-liquid two-phase flow in practical application，the metrological characteristics of mono reflection-type， external clamp and three-channel ultrasonic flowmeters in the gas-liquid two-phase flow state are evaluated near the five typical flow values in this test.Finally，the metrological characteristics of the flowmeter are evaluated through comparing the measured values by the flowmeters with the measured values by standard device with weighing method.The research results show that different types of flowmeters have different service conditions and ranges and the research has very important guiding significance for actual applications and provides a reference basis for the user to select flowmeter.

ultrasonic flowmeter； gas-liquid two-phase flow； flow pattern； weighing method；metrology

A

1674-5124（2017）09-0143-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.026

2017-01-05；

2017-02-13

張易農(nóng)（1981-），男，北京市人，高級工程師，碩士，研究方向為流量和溫度計量。