李世光+賈俊征+高正中+譚沖

摘 要： 針對(duì)基表內(nèi)水流分布是影響流量測(cè)量精度的關(guān)鍵問(wèn)題，利用流體力學(xué)知識(shí)結(jié)合數(shù)值模擬分析，設(shè)計(jì)了一種基于改善水流特性的超聲波熱量表。通過(guò)對(duì)熱量表DN25型基表內(nèi)流場(chǎng)分析，在進(jìn)水口中心線處安裝一個(gè)圓錐體整流裝置，采用圓滑立柱型的反射裝置，有利于分流從而防止射流的產(chǎn)生；在測(cè)量管道前端增加一個(gè)“喇叭口”的導(dǎo)流構(gòu)型和增大長(zhǎng)徑比，有利于流動(dòng)發(fā)展完全，提高測(cè)量精度。通過(guò)Matlab軟件仿真，對(duì)比基表優(yōu)化前后的偏差曲線圖證明所設(shè)計(jì)熱量表的穩(wěn)定性和精度都得到了提高，達(dá)到了預(yù)期的要求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞： 流體力學(xué)； 整流； 立柱型； 喇叭口； 長(zhǎng)徑比

中圖分類(lèi)號(hào)： TN02?34； TH702 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）23?0124?05

Design of ultrasonic heat meter based on water flow characteristic improvement

LI Shiguang， JIA Junzheng， GAO Zhengzhong， TAN Chong， LI Kaixuan

（Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： Since the water flow distribution in base table is a key problem to affect on the flow measurement accuracy， the hydromechanics knowledge combined with the numerical simulation analysis is adopted to design an ultrasonic heat meter based on the water flow characteristic improvement. By analyzing the internal flow field of the DN25?type base table， a cone rectifier is installed on the center line of the water inlet and the reflection unit of smooth pillar type is adopted to facilitate the shunting and avoid the jet flow production. A ″flared″ diversion kerb configuration is added to the front end of the measuring channel and the length?diameter ratio is increased to benefit to the entire flow improvement and improve the total fluxion development. The deviation curve graphs before and after optimizing are compared by the simulation of Matlab software. The results prove that the stability and precision of the designed heat meter are improved， and the meter meets the expected requirements and has a broad market prospect.

Keywords： hydromechanics； rectification； pillar type； flared type； length?diameter ratio

0 引 言

我國(guó)北方采暖地區(qū)70%以上的民用建筑采用集中供熱方式采暖[1]，供熱計(jì)量改革后采用“分戶供暖，分戶計(jì)量”的采暖計(jì)費(fèi)制度代替過(guò)去按平方面積收費(fèi)不合理的制度。用于測(cè)量、計(jì)算和顯示熱交換系統(tǒng)所釋放或吸收熱量值儀表的熱量表，根據(jù)流量傳感器的測(cè)量原理分為機(jī)械式、超聲波式和電磁式。其中，超聲波熱量表由于對(duì)熱介質(zhì)要求較低、穩(wěn)定性好和精度高等特點(diǎn)，在分戶供暖計(jì)量的熱量表市場(chǎng)中越來(lái)越受歡迎。

目前超聲波熱量表發(fā)展快，應(yīng)用廣泛，它可應(yīng)用于含鐵銹等雜質(zhì)的熱交換系統(tǒng)中，符合供暖行業(yè)的現(xiàn)狀。通過(guò)數(shù)值模擬分析基表內(nèi)水流特性，對(duì)基表進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到高精度、低功耗的超聲波熱量表。

1 超聲波熱量表的工作原理

1.1 熱量表的熱量計(jì)量數(shù)學(xué)模型

超聲波熱量表是在超聲波流量計(jì)的基礎(chǔ)上，在供、回水管道端口處加上溫度傳感器測(cè)量溫度，通過(guò)測(cè)出管道內(nèi)流體的流量和進(jìn)、出水的溫差計(jì)算出用戶使用的熱量。其中流量測(cè)量部分利用一對(duì)配對(duì)的超聲波換能器相互交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波信號(hào)，通過(guò)德國(guó)ACAM公司的計(jì)時(shí)芯片TDC?GP22測(cè)量出超聲波信號(hào)在流體中順?biāo)骱湍嫠鞯膫鞑r(shí)間差來(lái)測(cè)量管道中的流體流速，流體流量間接通過(guò)流速計(jì)算得出。流體經(jīng)過(guò)熱交換系統(tǒng)時(shí)根據(jù)時(shí)差法測(cè)量的流體流量、管道的進(jìn)出水溫度和流體經(jīng)過(guò)的時(shí)間，通過(guò)MSP430 MCU的計(jì)算就得到供用戶實(shí)際使用的熱量[2]。

目前，國(guó)內(nèi)熱量表普遍采用熱焓值法，熱焓值的計(jì)算公式[3]為：

2 水流特性的分析

實(shí)際流體都是有粘性的，故又稱(chēng)為粘性流體。流體流經(jīng)管道內(nèi)壁面時(shí)，緊貼管道內(nèi)壁面的流體質(zhì)點(diǎn)將粘附在壁面上，它們相對(duì)壁面的速度為零。粘附在管道壁面上的流體質(zhì)點(diǎn)受靜止壁面的影響，在管道壁面和流體的主流之間則有一個(gè)由零過(guò)渡到主流速度[v]的流速變化區(qū)域。對(duì)于流速不均勻的粘性流體，在流動(dòng)的垂直方向上出現(xiàn)速度梯度[6]。

因此，粘性流體在不同流速下存在不同狀態(tài)，通常把雷諾數(shù)Re作為判別層流和湍流的準(zhǔn)則，而且實(shí)際工程上一般取臨界雷諾數(shù)Re=2 000。如圖2所示，當(dāng)Re≤2 000時(shí)，流動(dòng)為層流，分布為旋轉(zhuǎn)拋物面；當(dāng)Re>2 000時(shí)，流動(dòng)是湍流，分布為對(duì)數(shù)分布。

2.1 基表內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)特性

利用RNGk?s模型通過(guò)FLUENT軟件對(duì)戶用超聲波熱量表DN25型基表進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算可知，流體流經(jīng)基表的流動(dòng)分為三個(gè)不同的階段[7]。

第一階段：流入流體繞流前端的反射裝置后形成兩條射流夾死區(qū)，并且在其背后形成流動(dòng)的一段“靜水區(qū)”。進(jìn)水端口的入口形態(tài)影響兩條射流的強(qiáng)度和方向以及靜水區(qū)的面積大小和穩(wěn)定性。

第二階段：兩條射流匯合在管道前端時(shí)，流體中間比四周流速快，通過(guò)在管道內(nèi)不斷地交換能量后，速度逐漸發(fā)展均勻平穩(wěn)。湍流程度和長(zhǎng)徑比影響著速度發(fā)展均勻的快慢。

第三階段：流體在管道內(nèi)流動(dòng)發(fā)展后，流經(jīng)后端的反射裝置形成兩條射流從管道流出。其受出水口結(jié)構(gòu)的影響。

文獻(xiàn)[8]研究了管道過(guò)渡區(qū)的水流特性，分析了U型反射方式流量計(jì)過(guò)渡曲面?線平均速度關(guān)系的正確性，熱量表的修正系數(shù)[k]有了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[9]通過(guò)LES數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)超聲波熱量表DN25型基表的反射柱大小、流體過(guò)流面積和反射路程等方面進(jìn)行了研究，數(shù)值分析后得出了優(yōu)化現(xiàn)有基表的方案。文獻(xiàn)[10]研究了在湍流繼續(xù)發(fā)展下，根據(jù)射線追蹤算法將聲波信號(hào)速度和流體橫截面平均速度的不穩(wěn)定性應(yīng)用到分析算法中，同時(shí)研究了影響管道橫截面平均溫度和速度的因素。文獻(xiàn)[11]研究了帶控制片方柱在高雷諾數(shù)下非定常態(tài)的繞流問(wèn)題，加裝整流片抑制或形成的渦會(huì)影響柱體側(cè)面的分離，使方柱阻力系數(shù)減小。

目前，對(duì)超聲波熱量表的研究與設(shè)計(jì)主要集中在基表結(jié)構(gòu)，還有在定常狀態(tài)下的水流特性的研究，很多重要因素影響著熱量表測(cè)量的精度[12]，比如基表內(nèi)的水流特性。根據(jù)影響因素對(duì)基表進(jìn)行改進(jìn)，才能更好地提高測(cè)量精度。

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析，在低流量段適應(yīng)性最大偏差為4.8%，且整個(gè)流量范圍的適應(yīng)性還是很好的，測(cè)量誤差波動(dòng)范圍較小。實(shí)際工程中超聲波熱量表的常用流量范圍為低流量段（0.05～0.5 m3/h），此流量區(qū)間的精度是熱量表性能重要的衡量指標(biāo)。流體流速在測(cè)量管道內(nèi)的分布是影響熱量表性能好壞的關(guān)鍵因素，很有必要分析流動(dòng)發(fā)展規(guī)律。在基表前端直管段與前端閥門(mén)后中心線的速度分布如圖3所示。

a區(qū)為第一階段，前端有閥門(mén)的中心線速度略高，雷諾系數(shù)、反射片以及基表結(jié)構(gòu)影響著該處的速度分布，圓滑的反射片區(qū)域能提高對(duì)于不同入口的熱量表的適應(yīng)性。

b區(qū)為第二階段，進(jìn)入測(cè)管后流體速度迅速發(fā)展穩(wěn)定，有較好的適應(yīng)性，前端直管段與前端閥處的速度分布偏差較大，該處使熱量表性能受到的影響最大。

c區(qū)為第三階段，是出水端反射片附近的速度分布，該階段主要受第一、二階段的影響，故可忽略。

在測(cè)量管道的前端閥門(mén)以及前端直管段處，流體流動(dòng)很快發(fā)展穩(wěn)定，其速度曲線分布對(duì)稱(chēng)性較好，表明基表具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。

2.2 基表的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)基表內(nèi)流場(chǎng)特性分析可知，反射片表面死區(qū)和測(cè)量管道內(nèi)區(qū)域是影響中心線速度分布的主要因素。其中雷諾系數(shù)、反射片和基表結(jié)構(gòu)對(duì)反射片死區(qū)情況作用最大，而雷諾系數(shù)、入口形狀和長(zhǎng)徑比影響著測(cè)量管道的速度分布。

研究基表內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)表明，進(jìn)出水端口平滑可以抑制由于尖銳端口造成管道內(nèi)流體流動(dòng)的分離而形成的兩條射流，使靜水區(qū)影響減少；反射片形狀平滑且其附近的過(guò)渡區(qū)域盡可能的圓滑，使流體流動(dòng)進(jìn)入測(cè)量管段很光滑，有很好的導(dǎo)流作用，提高流動(dòng)適應(yīng)性；在測(cè)量管道長(zhǎng)度不變的情況下盡量縮小管道直徑，即增大長(zhǎng)徑比，有利于使測(cè)量管道內(nèi)的流動(dòng)迅速穩(wěn)定發(fā)展完全；提高雷諾系數(shù)在一定范圍內(nèi)也能使流動(dòng)發(fā)展迅速穩(wěn)定。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，查閱工程流體力學(xué)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)基表結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一款增加整流裝置并改善結(jié)構(gòu)的基表如圖4所示。

（1） 在進(jìn)水端口安裝一個(gè)圓錐體結(jié)構(gòu)，圓錐體的底面積正好覆蓋住反正片的背面，對(duì)不同條件的來(lái)流進(jìn)行分流，緊貼椎壁的流速為零，使椎體與管道壁面之間速度均勻流入，起到很好的整流作用。

（2） 采用立柱型的反射裝置，反射片制作工藝盡可能光滑且其背面成圓弧狀，避免棱角引起流動(dòng)分離而產(chǎn)生的射流，反射柱能對(duì)兩側(cè)匯入的流體起導(dǎo)流作用，反射裝置附近空間變大，流體流暢也可防止產(chǎn)生射流。

（3） 根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知圓柱繞流后的流動(dòng)會(huì)紊亂，前面反射裝置的后端增加導(dǎo)流構(gòu)型“喇叭口”，流動(dòng)發(fā)展平穩(wěn)渡過(guò)，效果很好。

（4） 減小管道直徑增大長(zhǎng)徑比，流體流動(dòng)能發(fā)展完全迅速穩(wěn)定，提高測(cè)量精度。

在其他條件一樣的情況下，用Matlab軟件做出基表優(yōu)化前后熱量表的偏差曲線，對(duì)比圖如圖5所示。

對(duì)比基表優(yōu)化前后偏差的曲線可知，優(yōu)化后的熱量表在流量所有范圍內(nèi)發(fā)展平穩(wěn)，減小了在低流量段的誤差，提高了性能，從而達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量與分析

3.1 功耗測(cè)量

本文設(shè)計(jì)的超聲波熱量表微處理器采用16位超低功耗的MSP430F4371 MCU，在其低功耗模式3（LPM3）的SFR（特殊功能寄存器）中，各模塊允許確定各自功耗控制器工作狀態(tài)的配置，外圍模塊通過(guò)使用者的程序定義其活動(dòng)或停止。MSP430通過(guò)用戶程序定義的中斷來(lái)喚醒，接著單片機(jī)就會(huì)開(kāi)始工作進(jìn)入中斷程序。熱量表在實(shí)驗(yàn)室中溫度采集為10秒/次（溫度不會(huì)瞬變），流量采集為1秒/次（流量會(huì)瞬變），單片機(jī)的工作方式為間歇式，不工作時(shí)為睡眠狀態(tài)。利用FLUKE 15B對(duì)熱量表在不同狀態(tài)下進(jìn)行功耗測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

3.2 溫度的測(cè)量

根據(jù)中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ 128?2007的出廠規(guī)定，隨機(jī)選取5塊DN25的熱量表，選用精密數(shù)字測(cè)溫儀SPI1602A和恒溫槽HWC?R?L進(jìn)行溫度測(cè)試。在55 ℃溫度點(diǎn)下，將溫度傳感器放入恒溫裝置HWC?R?L中進(jìn)行測(cè)量，記錄所示溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度。利用電容充放電法間接測(cè)量溫度，將標(biāo)準(zhǔn)電阻的系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)溫度與溫度傳感器所示溫度比值）寫(xiě)入標(biāo)準(zhǔn)電阻，來(lái)校正55 ℃溫度點(diǎn)。測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

3.3 流量的測(cè)量

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ 128?2007，溫度保持在55 ℃下，將選取的5塊DN25熱量表放在熱量表檢定裝置RJZ15?25Z上，分別對(duì)5個(gè)不同的流量點(diǎn)進(jìn)行流量測(cè)試。測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

3.4 校正后的誤差

根據(jù)熱量表的額定流量[Qn，]測(cè)量校正后5塊DN25熱量表在檢定裝置RJZ15?25Z上5個(gè)流量點(diǎn)下各自的誤差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

其中，誤差計(jì)算公式為：

[E=（測(cè)量值-標(biāo)準(zhǔn)值）標(biāo)準(zhǔn)值×100%]

4 結(jié) 語(yǔ)

利用流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而改善基表內(nèi)的水流特性提高測(cè)量精度，本文設(shè)計(jì)了一款高精度、低功耗的超聲波熱量表。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中取得了較好的測(cè)量結(jié)果，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)表的要求。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性都達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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