0 引言
多聲道超聲波流量計以其高精度、高可靠性、測量范圍寬及非接觸式測量等優點，成為目前國內外主要研究方向和熱點之一。為了從根本上解決流量計對流場狀況非常敏感的問題，進一步提高超聲流量計的測量精度，不僅要通過信號處理的方法來提高儀表性能[1-2]，還必須對流場流動特性進行深入細致的研究，以充分發揮一次儀表的性能改善潛力[3]。本文針對超聲波流量計在雙彎管流場中的適應性問題，研究平行式和對角式的多聲道布置方式在流場中的誤差-角度曲線，從理論上為超聲波流量計的實際安裝提供合適的安裝角度和安裝方式，為超聲波流量計在實際流場中的精確安裝提供了理論依據。
1 誤差計算
多聲道系統的流量是將各個聲道的平均流速 用權重系數wi經過加權之后獲得的，體積流量可以表達為[4]：
因此多聲道系統受流動分布的影響也要根據各個聲道不同的權重wi來加權計算[4-5]。
式中：ei為單個聲道的誤差；n為聲道數量。
由于不同的聲道布置方式下的權重分配有很大的不同，這里僅對對角式和平行式的聲道布置方式進行討論。對于對角式的分布，其權重系數wi=1。對于平行式的分布，本文將采用高斯積分法對聲道布置的計算進行研究。高斯積分法的聲道數量、聲道安裝位置、權重的分配都由設計者事先安排好，這種設計方法的優點在于設計思路清晰，也不需要關于流場的速度分布信息[6]。
按照高斯積分的布局和權重進行分配[7-8]，其對應的聲道相對位置ri/R及權重系數wi如表1所示。
表中：ri為第i個聲道的分布位置；R為管道半徑；
單個聲道的誤差為[9]：
式中：umax為管道內軸向的速度；r為管道內計量半徑（r∈[0，R]）；R為管道半徑；n為對應雷諾數系數。
2 雙彎管流動對多聲道超聲流量計的影響
雙彎管的結構如圖1所示，其中A為被觀察截面，距離彎管后部19R。
2.1 雙彎管流動對對角式聲道布局的影響
多聲道超聲流量計對角式聲道布置方式如圖2所示。
由于不同的聲道安裝角度θ（水平位置為0°，依順時針旋轉0～2π）在同場下具有不同的表現，根據式（2），可得到如圖3所示的誤差-角度關系。
從圖中可以看出，在雙彎管流動下，對角式的聲道布局理論上為零的安裝角度，但存在誤差最小的安裝角度。另外，此安裝方式的誤差較小，但始終存在正向偏差，出現這種情況的原因在于雙彎管流場二次流速度的徑向分量始終與聲道基本保持平行狀態[10-11]，對測量到的管道聲速誤差產生了持續累計的效果。
2.2 雙彎管流動對平行式聲道布局的影響
平行式一般多采用三聲道和四聲道的布置方式，其布局如圖4（a）、5（a）所示。通過計算，得到平行式多聲道布置的誤差-角度關系如圖4（b）、5（b）所示。
從圖中可以看出：首先，在雙彎管流動下，平行式的聲道布局理論上也為零的安裝角度，但存在誤差最小的安裝角度。其次，此安裝方式也存在正向偏差，并且隨著聲道的增加，誤差有變大的趨勢。這主要是由于在雙彎管流動下，由于雙彎管的流動特性，導致隨著聲道數的增加，使得測量到的管道聲速誤差的累計效果增強。所以如果選用平行式的聲道布置方式，無需過多地增加聲道數量。第三，相對于對角式的聲道布置，平行式布置的誤差較大，這主要是由于對角式的布置，其兩個聲道的數據存在90°度的相位偏差，可以通過兩數據的相互補償有效提高測量精度。
3 結論
通過以上多聲道布置方式在雙彎管流動下的誤差-角度關系可以看出，誤差的變化具有周期性變化的特點。因此當采用某種固定的安裝方式時，通過調整超聲波流量計的安裝角度可以在上降低因為流場擾動產生的誤差。
在實際安裝時，如無法精確確定安裝角度，則采用對角式的多聲道布置，其流量測量精度優于平行式的聲道布置。
以上兩種多聲道安裝方式均不存在理論測量誤差為零的安裝角度，這主要是由于雙彎管流場的特性所致[9]。
參考文獻
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