馬 良，俞天陽，田 昌，侯懷書，蘇明旭

(1. 上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093; 2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201418)

0 引 言

管道和各類狹窄通道內(nèi)的氣體流速測量，在石油天然氣工業(yè)、冶金工業(yè)、動力機械、環(huán)保和能源計量等多個領(lǐng)域均受到廣泛關(guān)注[1-4]。天然氣從采集、儲運、處理、分配等過程中，均需要對氣流速度進(jìn)行嚴(yán)格的測量，保證其可靠性和精度以用于貿(mào)易結(jié)算；在冶金行業(yè)中，需借助燃?xì)?、煙道氣[5]、煤氣等氣體速度測量實現(xiàn)對冶煉過程的監(jiān)控；葉柵通道內(nèi)的復(fù)雜流動對于燃汽輪機的效率、可靠性和長壽命也非常關(guān)鍵[6]，因此需要一種安全、可靠且無干擾的測量方法和技術(shù)滿足各種流動的測量需求?；诔晻r差法檢測原理的氣體流速測量是一種典型的非接觸測量方法[7-8]，具有對流場無干擾、成本低、安全和對流體特性的適應(yīng)性寬等優(yōu)點。同時，因超聲波還具有測量精度高[9-10]、方向性好[11]、在介質(zhì)中傳播能力強等特性[12]，有望結(jié)合成像技術(shù)實現(xiàn)對二維甚至三維流場的非接觸可視化測量。國外對超聲測速方面的研究起步早、技術(shù)相對成熟[13]，涉及氣體流量測量[14]、兩相流測量[15]以及超聲波在流場中的信號處理[16]、去噪等方面的研究；國內(nèi)學(xué)者針對自然環(huán)境、燃煤電站等大環(huán)境或管道中氣體流速測量開展較多研究，但在狹窄空間內(nèi)氣體流速的超聲實驗研究還較為欠缺，本文采用多對超聲波換能器形式對自行設(shè)計的狹窄通道氣流流動進(jìn)行實驗研究。

1 實驗原理和裝置

1.1 實驗原理

超聲時差法測速原理如圖1所示。氣流呈水平流動，上游換能器T1發(fā)射聲波在流場中傳播并反射后由下游換能器T2接收，規(guī)定此方向為順流。同理，T2發(fā)射聲波逆流傳播經(jīng)反射后由T1接收為逆流。超聲波在流動介質(zhì)中的順/逆流傳播時間為：

圖1 超聲時差法原理示意圖

式中：v——氣體平均流速；

θ——超聲波換能器發(fā)射方向與管內(nèi)氣流方向夾角；

L——聲程；

c——超聲波傳播速度。

則順/逆流時差為：

由于實驗工況為低速流，超聲傳播速度遠(yuǎn)大于測量區(qū)平均氣體流速，即式（2）中c2?v2，則氣體流速計算公式簡化為：

1.2 空氣耦合超聲波換能器

根據(jù)研究需要，設(shè)計一種壓電式空氣耦合超聲波換能器用于氣體流速和速度場檢測，換能器具有如下特性：1）結(jié)構(gòu)簡單激勵效果好，因空氣中超聲衰減很快，應(yīng)確保超聲波發(fā)射信號較強；2）具有較好耐電壓特性，與所設(shè)計380 V高壓脈沖發(fā)射和接收模塊相匹配；3）支持換能器小型化，直徑可小至僅數(shù)毫米，換能器結(jié)構(gòu)緊湊，晶片采用電極導(dǎo)電樹脂和耐高溫膠壓接（異于傳統(tǒng)焊接方式）。圖2為設(shè)計的200 kHz換能器結(jié)構(gòu)和實物圖。

圖2 空氣耦合超聲波換能器

1.3 多通道信號同步發(fā)射掃描和接收裝置

數(shù)字式多通道信號同步發(fā)射掃描和接收裝置硬件包含超聲發(fā)射模塊、掃描模塊和接收模塊并集成至工控機。超聲發(fā)射模塊可產(chǎn)生–380 V高壓尖峰窄脈沖，并對高壓激勵和較強的初始信號限幅，防止對后級模塊造成破壞；掃描模塊包含八路信號選通和控制，用于選通超聲波激勵信號和接收通道，確保每次循環(huán)發(fā)射聲波能夠被其余通道接收，并經(jīng)過接收模塊信號放大并數(shù)字化后傳至工控機。開發(fā)軟件人機交互界面如圖3所示，各通道增益、波形偏移量及采樣頻率可人為設(shè)置，掃描模式下確保500 ms內(nèi)完成所有通道切換，接收波形和聲時實時顯示。

圖3 人機交互界面

圖4為實驗裝置示意圖，使用了六通道測試系統(tǒng)（其余通道預(yù)留）。限于狹窄流道的尺寸和易受氣流微小波動影響，采用反射式2×3的陣列裝配方式增大聲程并抵消渦流的影響，盡可能覆蓋測量區(qū)從而獲取更全面的流動信息。換能器陣列按其發(fā)射方向與管內(nèi)氣流方向呈60°夾角布置。實驗時開啟風(fēng)機使氣流在尺寸為60 mm×60 mm×250 mm的矩形斷面流道里形成穩(wěn)定流動，換能器陣列分別將順、逆流數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C，通過測量時差計算流速，并與流道內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)畢托管結(jié)果對比驗證。

圖4 實驗裝置示意圖

2 實驗與分析過程

2.1 流速標(biāo)定

狹窄流道布置于風(fēng)機出口處，為確認(rèn)流道內(nèi)的氣流穩(wěn)定流動，在20 m/s的設(shè)定風(fēng)速下，用校正系數(shù)為1、準(zhǔn)確度等級為1級和分辨率為1 Pa的標(biāo)準(zhǔn)畢托管在流道截面進(jìn)行流速測量，9個測點布置如圖4右上，A-I點流速依次為 20.08，20.04，20.16，20.13，20.23，20.10，20.08，20.08，20.15 m/s。以中心點（E點）為主流速度，各點流速均與其基本吻合，最大相對偏差約0.94%。

2.2 靜態(tài)實驗

理論上靜態(tài)氣體介質(zhì)中超聲波沿測量區(qū)上/下游雙向傳播時間相同，但由于換能器制作一致性、波形閾值取點、電路延遲等因素在實測中出現(xiàn)不相等的情況，因此在動態(tài)實驗前須消除此類誤差。表1列出靜態(tài)實驗上/下游超聲傳播時間差。采用狄克遜準(zhǔn)則剔除掉第6次實驗異常跳變數(shù)據(jù)，獲得靜態(tài)平均時差為0.62 μs，在動態(tài)實驗數(shù)據(jù)中應(yīng)補償該時差從而消除誤差。

表1 靜態(tài)條件實驗測得超聲傳播時間

2.3 動態(tài)實驗

超聲波換能器通道按1至6編號，其中1-2、3-4和5-6為流道左、中、右區(qū)域的對應(yīng)檢測通道，并將此方向設(shè)定為順流，2-1、4-3、6-5為逆流方向。動態(tài)實驗中，通過調(diào)節(jié)電機頻率讓氣流速度從5 m/s逐工況升至30 m/s左右再降至5 m/s，按速度增為正行程，反之為逆行程。每個行程取10個工況，每一工況待流速穩(wěn)定后進(jìn)行測量。圖5為流速10 m/s時波形圖，為了提高精度并且便于對比分析順/逆流的相對信號強度，對采集波形數(shù)據(jù)做了歸一化處理。可以直觀分辨每組相鄰的順/逆流波形，選取波峰幅值最大的一組所對應(yīng)的幅值點計時，從而通過時差法原理計算出流速。

圖5 10 m/s下超聲波波形圖

3 結(jié)果與討論

圖6為正/逆行程各工況下3-4通道和與其對應(yīng)的畢托管E點測得主流速度結(jié)果。超聲法測得的正/逆行程的速度變化趨勢與標(biāo)準(zhǔn)畢托管非常吻合，各工況下流速最大相對誤差分別為正行程4.15%、逆行程4.65%。由超聲時差法原理可知時差和流速呈線性關(guān)系，為此，將二者做線性擬合以尋求最佳斜率估計值，圖7為正/逆行程擬合曲線。

圖6 正/逆行程流速測量結(jié)果

圖7 正/逆行程流速-時差擬合曲線

將擬合獲得的速度表達(dá)式的斜率（正行程：0.965、逆行程：0.973）代入下列公式即可計算修正系數(shù)。帶修正系數(shù)的流速表達(dá)式為：

其中k為流速修正系數(shù)。

其中v1、v2分別為正、逆行程速度。

對比式(4)和式(5)斜率可得到：

其中k1、k2分別為正、逆行程修正系數(shù)。

從表2可知實驗過程溫度變化不大，通常當(dāng)溫度上升1 ℃聲速約變化0.6 m/s，正、逆行程最高與最低溫差分別為0.2 ℃和0.1 ℃，取溫度平均處理引入聲速誤差至多0.06 m/s，可忽略不計。取正行程平均溫度值14.25 ℃和逆行程平均溫度值13.84 ℃帶入式(6)計算分別得到正、逆行程的修正系數(shù)k1=1.027和k2=1.01。

表2 不同工況溫度和與其對應(yīng)的靜態(tài)超聲波傳播速度

圖8為選取三組通道在正、逆行程各6種工況下修正后流速結(jié)果。不同工況下三組通道間測得流速均較為接近，這符合之前標(biāo)定實驗的結(jié)論，說明流道內(nèi)流速整體較一致；其中，各工況下3-4通道流速比其他兩通道略大，這是因為3-4通道對應(yīng)通道主流速度，其他兩個通道更接近流道壁面；測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)畢托管測得流速對比也非常接近，正、逆行程相對誤差最大值分別減至1.66%和1.85%。由于實驗測得值反映超聲傳播路徑上的平均流速，都小于標(biāo)準(zhǔn)畢托管所測中心點測量結(jié)果，這也與實際情況較為相符。

圖8 修正后正/逆行程流速測量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文研制了一種空氣耦合超聲波換能器和六通道信號同步發(fā)射掃描和接收裝置，形成了一套完整的三聲道多發(fā)多收超聲測速系統(tǒng)。借助可調(diào)速風(fēng)機，在自行設(shè)計的狹窄流道上采用反射式2×3的安裝方式對5 m/s至30 m/s的工況進(jìn)行測量。通過正/逆行程聲時測量和流速計算，系數(shù)修正后測速結(jié)果較標(biāo)準(zhǔn)畢托管最大相對誤差分別為1.66%和1.85%。該方法和測試系統(tǒng)有望進(jìn)一步擴展至狹窄流道內(nèi)二維速度場測量。