專利名稱：超聲流量計(jì)流場附加誤差分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分析方法，尤其地、涉及一種超聲流量計(jì)流場附加誤差分析方法。
背景技術(shù)：
超聲流量計(jì)是近年發(fā)展起來的一種新型流量測量儀表，由于具有無壓損、口徑越大準(zhǔn)確度越高、可在已有管道上安裝、多聲道可適應(yīng)復(fù)雜流場等諸多優(yōu)勢，在流量測量領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是在超大口徑流量測量中具有突出的優(yōu)勢。超聲流量計(jì)利用超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的正反向時(shí)間差來測量聲道上的線平均流速，并利用不同聲道上的線平均流速(以下稱為聲道速度)加權(quán)計(jì)算待測截面上的面平均流速及流量。流量的測量準(zhǔn)確度與所在位置的流場關(guān)系密切，這一方面是由于橫向流動(dòng)容易干擾聲道上線平均流速的測量，另一方面則是由于面平均流速的加權(quán)計(jì)算準(zhǔn)確度受到聲道速度分布的影響。 因此，超聲流量計(jì)要求保持足夠長的前后直管段，以保證其內(nèi)部流場沒有橫向流動(dòng)，聲道速度分布也比較簡單。超聲流量計(jì)的測量準(zhǔn)確度與其內(nèi)部流場關(guān)系密切，上下游阻流件和探頭局部凹凸結(jié)構(gòu)均能影響其內(nèi)部流場進(jìn)而產(chǎn)生流場附加誤差，計(jì)量檢定規(guī)程JJG1030-2007中規(guī)定多聲道流量計(jì)的安裝需要保證前IOD后5D的直管段長度，否則不確定度評估時(shí)需要額外考慮一個(gè)流場附加誤差。流場附加誤差與流量計(jì)所處流場的復(fù)雜程度有關(guān)，也與流量計(jì)聲道配置有關(guān)，雖然花費(fèi)大量人力物力進(jìn)行不同安裝條件下的流量計(jì)實(shí)流校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)來分析流場附加誤差，取得了很多成果，但是由于流場附加誤差的影響因素眾多且十分復(fù)雜，不可能通過實(shí)驗(yàn)來覆蓋所有安裝條件和流量計(jì)配置，因此，尋找合適的方法來分析流場附加誤差成為提高超聲流量計(jì)的測量準(zhǔn)確度的重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠低成本且快速獲得不同條件下的管道流場，進(jìn)而通過比較流量計(jì)指示流量與標(biāo)準(zhǔn)流量的差異來分析流場附加誤差的方法。本發(fā)明提供了一種超聲流量計(jì)流場附加誤差分析方法，其對于管道中流量計(jì)上下游一定范圍內(nèi)的液體流動(dòng)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬；利用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬獲得管道內(nèi)部流場的散點(diǎn)流速信息，將流速插值到流量計(jì)的各聲道上，并按照流量計(jì)基本原理計(jì)算各聲道的聲道速度，進(jìn)而加權(quán)求和獲得指示流量；對流量計(jì)橫截面流場散點(diǎn)的主流流速進(jìn)行面積分，或者在橫截面流場采集足夠多聲道的聲道速度主流貢獻(xiàn)量進(jìn)行加權(quán)求和，獲得流場的標(biāo)準(zhǔn)流量；通過分析指示流量與標(biāo)準(zhǔn)流量的差異獲得流場的附加誤差。其中，利用管道流場中流量計(jì)的中心坐標(biāo)、主流方向、聲道面上方向、聲道角唯一確定流量計(jì)各聲道的具體位置。其中，基于管道散點(diǎn)流速，采用保形狀的pchip插值方法計(jì)算超聲流量計(jì)聲道上的聲道速度。其中，利用矢量算法將聲道速度分解為主流貢獻(xiàn)量和橫流貢獻(xiàn)量。
其中，標(biāo)準(zhǔn)流量的面積分方法是首先對橫截面散點(diǎn)進(jìn)行三角形化剖分，然后對所有三角形上的平均速度與面積的乘積進(jìn)行求和。其中，標(biāo)準(zhǔn)流量的高斯積分算法是在橫截面流場中采集多個(gè)聲道的聲道速度主流貢獻(xiàn)量，然后進(jìn)行加權(quán)平均獲得標(biāo)準(zhǔn)平均流速進(jìn)而獲得標(biāo)準(zhǔn)流量。所述多個(gè)聲道數(shù)目為 36條。其中，流場附加誤差包括由于利用有限聲道速度信息積分計(jì)算整個(gè)截面的流量而產(chǎn)生的積分誤差和由于橫向流動(dòng)對流量測量的干擾形成的橫流誤差。本發(fā)明對流場附加誤差評估中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，建立了超聲流量計(jì)的流場附加誤差分析方法，實(shí)現(xiàn)了流場附加誤差的快速準(zhǔn)確評估，該分析方法對利用數(shù)值方法解決流量計(jì)量問題具有很好的參考意義。


圖1流量計(jì)聲道編號及A/B聲道面命名原則；圖1標(biāo)準(zhǔn)流量的三角化積分方法；圖3虛擬聲道數(shù)與相對差值的關(guān)系；圖4流場附加誤差計(jì)算方法；圖5流量計(jì)中心橫截面上的橫向流動(dòng)圖6流量計(jì)的聲道速度分布；圖7流量計(jì)的流場附加誤差評估結(jié)果。
具體實(shí)施例方式隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為一種重要的研究手段，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的數(shù)值模擬逐漸滲透到與流體相關(guān)的各工程技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)值模擬相對于傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法具有成本低、且能夠快速準(zhǔn)確模擬的優(yōu)點(diǎn)，將液體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬與超聲流量計(jì)的測量結(jié)合，有助于能夠提高液體流量的測量準(zhǔn)確性。流場附加誤差指的是流量計(jì)安裝在某特定流場中獲得的指示流量與該流場的標(biāo)準(zhǔn)流量之差，在利用CFD技術(shù)獲得該流場的散點(diǎn)流速信息之后，需要將流速信息插值到流量計(jì)的聲道上，并計(jì)算各聲道的聲道速度，然后加權(quán)求和計(jì)算待測截面的平均流速，并與面積相乘得到指示流量；標(biāo)準(zhǔn)流量則需通過在待測點(diǎn)對流速進(jìn)行面積分獲得。為了計(jì)算特定流場中的流量計(jì)指示流量，首先需要解決聲道定位問題，獲得聲道線上兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)。超聲流量計(jì)有單聲道面或雙聲道面配置，盡管流量計(jì)廠家采用不同的聲道命名方式，基于數(shù)值流場處理時(shí)卻需要統(tǒng)一聲道編號及A/B聲道面的命名原則。命名原則如圖2所示，定義兩聲道面交線指向聲道起始編號的方向?yàn)樯戏较騣i = (Ml,M2，M3)， 定義管道流動(dòng)的主流方向?yàn)?二(乂，/2，/3)，人在流量計(jì)的下游頭朝上方向j往上游看， 下游探頭在右側(cè)的聲道為A面，下游探頭在左側(cè)的聲道為B面，聲道編號自上而下依次為1 到n，對應(yīng)的聲道高度自正而負(fù)，如圖1所示，以聲道A-Pathl、A_Path2、A_Path3、A_Path4 以及B-Pathl、B-Path2、B-Path3、B-Path4作為示例。聲道角Φ是流量計(jì)配置中另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，指的是聲道與主流方向的銳角夾角，再加上流量計(jì)的中心位置坐標(biāo)5 =(知易，4)，共四個(gè)參數(shù)δ、/、Φ、 就可以確定三維流場中任意姿態(tài)的流量計(jì)聲道位置。定義聲道方向 =(Α，/2,/3)為聲道線上游探頭指向下游探頭的方向，則聲道面內(nèi)聲道方向完全相同，單聲道流量計(jì)只有一個(gè)聲道方向 ，雙聲道面流量計(jì)具有兩個(gè)聲道方向乙和J8。于是聲道線兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)為
權(quán)利要求
1.一種超聲流量計(jì)流場附加誤差分析方法，其特征在于對于管道中流量計(jì)上下游一定范圍內(nèi)的液體流動(dòng)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬；利用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬獲得管道內(nèi)部流場的散點(diǎn)流速信息，將流速插值到流量計(jì)的各聲道上，并按照流量計(jì)基本原理計(jì)算各聲道的聲道速度，進(jìn)而加權(quán)求和獲得指示流量；對流量計(jì)橫截面流場散點(diǎn)的主流流速進(jìn)行面積分，或者在橫截面流場采集多個(gè)聲道的聲道速度主流貢獻(xiàn)量進(jìn)行加權(quán)求和，獲得流場的標(biāo)準(zhǔn)流量；通過分析指示流量與標(biāo)準(zhǔn)流量的差異獲得流場的附加誤差。
2.如權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于利用管道流場中流量計(jì)的中心坐標(biāo)、主流方向、聲道面上方向、聲道角唯一確定流量計(jì)各聲道的具體位置。
3.如權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于利用矢量算法將聲道速度分解為主流貢獻(xiàn)量禾口橫流貢獻(xiàn)量。
4.如權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于標(biāo)準(zhǔn)流量的面積分方法是首先對橫截面散點(diǎn)進(jìn)行三角形化剖分，然后對所有三角形上的平均速度與面積的乘積進(jìn)行求和。
5.如權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于標(biāo)準(zhǔn)流量的高斯積分算法是在橫截面流場中采集多個(gè)聲道的聲道速度主流貢獻(xiàn)量，然后進(jìn)行加權(quán)平均獲得標(biāo)準(zhǔn)平均流速進(jìn)而獲得標(biāo)準(zhǔn)流量。
6.如權(quán)利要求5所述的分析方法，其特征在于所述多個(gè)聲道數(shù)目為36條。
7.如權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于基于管段散點(diǎn)流速，采用保形狀的 pchip插值方法計(jì)算超聲流量計(jì)聲道上的聲道速度。
8.如權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于流場附加誤差包括由于利用有限聲道速度信息積分計(jì)算整個(gè)截面的流量而產(chǎn)生的積分誤差和由于橫向流動(dòng)對流量測量的干擾形成的橫流誤差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲流量計(jì)流場附加誤差分析方法，其特征在于對于管道中流量計(jì)上下游一定范圍內(nèi)的液體流動(dòng)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬；利用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬獲得管道內(nèi)部流場的散點(diǎn)流速信息，將流速插值到流量計(jì)的各聲道上，并按照流量計(jì)基本原理計(jì)算各聲道的聲道速度，進(jìn)而加權(quán)求和獲得指示流量；對流量計(jì)橫截面流場散點(diǎn)的主流流速進(jìn)行面積分，或者在橫截面流場采集多個(gè)聲道的聲道速度主流貢獻(xiàn)量進(jìn)行加權(quán)求和，獲得流場的標(biāo)準(zhǔn)流量；通過分析指示流量與標(biāo)準(zhǔn)流量的差異獲得流場的附加誤差。通過該分析方法實(shí)現(xiàn)了流場附加誤差的快速準(zhǔn)確評估，且對利用數(shù)值方法解決流量計(jì)量問題具有很好的參考意義。
文檔編號G01F25/00GK102538912SQ20111036419
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者孟濤, 張亮, 王池, 胡鶴鳴 申請人:中國計(jì)量科學(xué)研究院