氣體整流裝置技術(shù)綜述

氣體整流裝置技術(shù)綜述為滿足氣體流量計(jì)測(cè)量不斷提高要求，超聲波技術(shù)被應(yīng)用于氣體流量檢測(cè)，它是繼孔板、渦輪流量計(jì)之后出現(xiàn)的第三類高精度的新興氣體檢測(cè)儀表。超聲波氣體流量計(jì)是通過(guò)超聲波脈沖沿順、逆流兩個(gè)方向上聲傳播時(shí)間不同來(lái)測(cè)量氣體的流速和流量的新技術(shù)。由于它對(duì)流體無(wú)阻力、無(wú)壓力損失、受流體物理性質(zhì)限制少以及使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，備受業(yè)界關(guān)注，具有很大的前景。但是在實(shí)際應(yīng)用中，氣體超聲波流量計(jì)的安裝使用條件比較惡劣，上游和下游的直管段較短，無(wú)法在超聲波流量計(jì)中形成分布均勻的氣體流速，影響超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度。多孔板式氣體整流裝置通常是將不均勻的氣體流速分布通過(guò)多孔板進(jìn)行重新排布，以形成均勻分布的氣體流速。專利申請(qǐng)量與重要申請(qǐng)人分析根據(jù)與氣體整流裝置相關(guān)的的中國(guó)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出（見(jiàn)圖1），申請(qǐng)量最多的前十位申請(qǐng)人均為公司。松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社申請(qǐng)量比其他公司多，甚至是其他公司申請(qǐng)量的幾倍之多。而國(guó)內(nèi)公司中，重慶市偉岸測(cè)器制造股份有限公司、匯中儀表股份有限公司、浙江天信儀表科技有限公司、上海一諾儀表有限公司、威海市天罡儀表股份有限公司以及西安北斗星數(shù)碼信息股份有限公司的申請(qǐng)量相差不大，但都跟松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社的申請(qǐng)量有著較為明顯的差距，這也從側(cè)面反映出該技術(shù)領(lǐng)域中國(guó)內(nèi)公司與國(guó)外公司的技術(shù)差距。圖1氣體整流裝置相關(guān)專利申請(qǐng)量重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展：（一）流程適應(yīng)性研究近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測(cè)量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快。基于不同原理、適用于不同場(chǎng)所的各種形式的超聲波流量計(jì)已相繼出現(xiàn)，其應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，大到大型輸氣站和門站、工業(yè)用戶等，小到加工作坊、餐廳、酒店等，正日趨成為流量測(cè)量的首選儀表。目前超聲波流量計(jì)主要分為單聲道流量計(jì)和多聲道流量計(jì)。單聲道超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，但這種流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)性差，測(cè)量準(zhǔn)確度不易控制。由于調(diào)壓器等影響，管道內(nèi)容易產(chǎn)生超聲波噪聲進(jìn)而影響超聲波流量計(jì)的正常工作。對(duì)超聲波流量計(jì)流場(chǎng)適應(yīng)性問(wèn)題的研究主要分析管道走向、調(diào)節(jié)裝置對(duì)流量檢測(cè)帶來(lái)的影響，達(dá)到最適宜于流量計(jì)安裝及檢測(cè)的條件。管道走向的變化會(huì)改變流場(chǎng)速度分布并使之產(chǎn)生扭曲，很多科研人員出于各種不同的目的都對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)研究，相關(guān)的研究成果近年來(lái)己被成功應(yīng)用于氣體超聲波流量計(jì)。1982年，ENAYETMM等人利用激光多普勒技術(shù)對(duì)單彎管流場(chǎng)進(jìn)行了分析。1991年，LAIYG等人利用理論推導(dǎo)與流體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的分析方法計(jì)算了彎管中的流體擾動(dòng)問(wèn)題，對(duì)流場(chǎng)分布給出了數(shù)值解。1996年德國(guó)的科研人員HILGENSTOCKA和ERNSTR將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)相印證，成功地分析了超聲波流量計(jì)檢測(cè)精度與彎管流場(chǎng)變形之間的關(guān)系。1999年，LIMKV等人探討了直角彎管中流場(chǎng)對(duì)電磁流量計(jì)檢測(cè)精度的影響情況，他們的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)最遠(yuǎn)到達(dá)彎管后部22倍直徑的距離。2015年，吳春華利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試了電路延時(shí)完成補(bǔ)償算法，對(duì)多個(gè)標(biāo)定流量點(diǎn)進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)流檢測(cè)，驗(yàn)證了通過(guò)測(cè)量壓力差對(duì)彎管二次流誤差修正的流暢適應(yīng)性仿真結(jié)果和補(bǔ)償方法的有效性。2014年，鄭丹丹等人基于實(shí)流實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合，對(duì)單聲道流量計(jì)的5種聲道布置進(jìn)行研究，表明聲道布置對(duì)流場(chǎng)適應(yīng)性有一定的影響。2006年孫金明等介紹了調(diào)節(jié)閥噪聲的衰減措施以及對(duì)調(diào)節(jié)閥噪聲導(dǎo)致的超聲波流量計(jì)故障案例進(jìn)行了分析。為了解決管道內(nèi)氣體流態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致的計(jì)量不精確和超聲波噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的干擾等問(wèn)題，山東思達(dá)特測(cè)控設(shè)備有限公司研制出了基于時(shí)差法單聲道超聲波流量計(jì)用降噪整流裝置，并獲得實(shí)用新型專利證書。降噪整流裝置是基于流體在管道內(nèi)的分布狀態(tài)特點(diǎn)和超聲波的測(cè)量原理進(jìn)行研制的，氣體整流裝置的功能整流，是將管道內(nèi)不規(guī)則氣流變?yōu)橐?guī)則氣流或把旋轉(zhuǎn)的氣流變?yōu)橹本€流動(dòng)的氣流。(二)新型整流裝置以時(shí)間差法為算法的單聲道超聲波流量計(jì)的測(cè)量實(shí)際為測(cè)量管道內(nèi)流體的速度。由于管道內(nèi)從中心到管壁流體的流場(chǎng)是不一樣的，流速也是不一樣的，因此管道內(nèi)流場(chǎng)的分布直接影響著管道內(nèi)流體的速度。在現(xiàn)場(chǎng)安裝中，由于彎頭、匯管和變徑管的影響，下游的流場(chǎng)會(huì)不穩(wěn)定。由雷諾(Reynolds)實(shí)驗(yàn)我們可以知道，流體在管道中流動(dòng)時(shí)因?yàn)轲Φ拇嬖诙a(chǎn)生兩種流態(tài):層流與湍流。考慮到管道內(nèi)流速分布的不均勻，一般會(huì)在管道內(nèi)加裝整流器，使流體通過(guò)整流器后，流速分布狀況得到顯著改善。根據(jù)普朗特流速分布經(jīng)驗(yàn)公式(式(1))可知，在不同流體狀態(tài)下，流速分布是不同的。(1)式中，Vr為流體距離軸芯線r處的沿軸線方向的面平均流速;Vm為流體在軸芯線上的流速值(為Vr的最大值);R為管道的半徑;n為流速分布指數(shù)，它與管道內(nèi)的流體雷諾數(shù)Re有關(guān)，如公式(2)所示。Ww2(2)根據(jù)普朗特流速分布經(jīng)驗(yàn)公式可以建立在湍流狀態(tài)下的流速分布等效模型，如圖2所示。圖2湍流狀態(tài)下，流速分布等效模型假設(shè)流體處于湍流的臨界狀態(tài)，即Re=4000，此時(shí)根據(jù)公式(2)可以計(jì)算得到流速分布指數(shù)n=5;以管道軸芯線為豎坐標(biāo)，管道半徑為橫坐標(biāo)，建立轉(zhuǎn)換模型，如圖3所示，豎坐標(biāo)表示氣體流速，橫坐標(biāo)表示距離軸芯線的距離。首先確定整流器開(kāi)孔位置及開(kāi)孔個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)為由對(duì)稱環(huán)形分布的32個(gè)鉆孔組成，孔的尺寸是管道內(nèi)徑D的函數(shù)。0.25D±0.0025D節(jié)圓直徑上，一圈4個(gè)孔；0.50D±0.0050D節(jié)圓直徑上，一圈8個(gè)孔；0.65D±0.0065D節(jié)圓直徑上，一圈4個(gè)孔；0.75D±0.0075D節(jié)圓直徑上，一圈8個(gè)孔；0.85D±0.0085D節(jié)圓直徑上，一圈8個(gè)孔。然后確定各節(jié)圓直徑上開(kāi)孔的直徑，根據(jù)普朗特流速分布公式可以求得在各節(jié)圓直徑上的流速V1、V2、V3、V4、V5,并求得位置與流速對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。圖3流速分布轉(zhuǎn)換模型加裝整流器的目的是使經(jīng)過(guò)整流后的流量分布均勻，即通過(guò)整流器后的體積流量是均勻的，假設(shè)流過(guò)節(jié)圓直徑開(kāi)孔的流速等于節(jié)圓直徑上的流速，各節(jié)圓直徑上開(kāi)孔的總面積分別為A1、A2、A3、A4、A5，根據(jù)體積流量計(jì)算公式(3)，流過(guò)各節(jié)圓直徑上開(kāi)孔的體積流量相等。式中:Q為體積流量，V為流體流速，A為過(guò)流橫截面積。根據(jù)普朗特流速分布公式代入，可以得到公式(4)。(4)由于整流器是安裝在管道內(nèi)的，因此開(kāi)孔面積與管道橫截面積A有關(guān)。假設(shè)開(kāi)孔總面積為1/2A,根據(jù)公式(4)計(jì)算得到A3=0.1A。同理可以計(jì)算A1、A2、A4、A5與總面積A的關(guān)系。根據(jù)各節(jié)圓直徑上開(kāi)孔個(gè)數(shù)以及圓的面積計(jì)算公式可以得到各節(jié)圓直徑上開(kāi)孔的孔直徑分別表示為d1，d2，d3，d4，d5，分別等于0.147D，0.108D，0.158D,0.116D,0.122D。確定好各節(jié)圓直徑上開(kāi)孔數(shù)目以及開(kāi)孔直徑后，需要確定開(kāi)孔在節(jié)圓直徑上的開(kāi)孔位置，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，開(kāi)孔位置如圖4所示。圖4各節(jié)圓直徑上的開(kāi)孔位置圖結(jié)論與展望超聲波流量計(jì)中加裝氣體整流裝置對(duì)管道紊流氣態(tài)有非常大的穩(wěn)定作用，能有效提高氣態(tài)平均分布，提高儀表測(cè)量精度。近年全球的主要研究方向也在于進(jìn)一步優(yōu)化氣體整流裝置以提高超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，減小其測(cè)量誤差。該領(lǐng)域技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，如日本，優(yōu)勢(shì)明顯，我國(guó)仍處于跟隨和模仿階段。我國(guó)國(guó)內(nèi)的設(shè)備，大多被國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品壟斷。目前，超聲波測(cè)量領(lǐng)域核心技術(shù)被