一.概述
为满足气体流量计测量不断提高要求，超声波技术被应用于气体流量检测，它是继孔板、涡轮流量计之后出现的第三类高精度的新兴气体检测仪表。超声波气体流量计是通过超声波脉冲沿顺、逆流两个方向上声传播时间不同来测量气体的流速和流量的新技术。由于它对流体无阻力、无压力损失、受流体物理性质限制少以及使用简单等特点，备受业界关注，具有很大的前景。但是在实际应用中，气体超声波流量计的安装使用条件比较恶劣，上游和下游的直管段较短，无法在超声波流量计中形成分布均匀的气体流速，影响超声波流量计的计量精度。多孔板式气体整流装置通常是将不均匀的气体流速分布通过多孔板进行重新排布，以形成均匀分布的气体流速。
二.专利申请量与重要申请人分析
根据与气体整流装置相关的的中国专利申请的申请人统计结果可以看出（见图1），申请量最多的前十位申请人均为公司。松下电器产业株式会社申请量比其他公司多，甚至是其他公司申请量的几倍之多。而国内公司中，重庆市伟岸测器制造股份有限公司、汇中仪表股份有限公司、浙江天信仪表科技有限公司、上海一诺仪表有限公司、威海市天罡仪表股份有限公司以及西安北斗星数码信息股份有限公司的申请量相差不大，但都跟松下电器产业株式会社的申请量有着较为明显的差距，这也从侧面反映出该技术领域中国内公司与国外公司的技术差距。
图1 气体整流装置相关专利申请量
三.重点技术发展：
（一）流程适应性研究
近年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理、适用于不同场所的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用涉及到各个领域，大到大型输气站和门站、工业用户等，小到加工作坊、餐厅、酒店等，正日趋成为流量测量的首选仪表。目前超声波流量计主要分为单声道流量计和多声道流量计。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适应性差，测量准确度不易控制。由于调压器等影响，管道内容易产生超声波噪声进而影响超声波流量计的正常工作。对超声波流量计流场适应性问题的研究主要分析管道走向、调节装置对流量检测带来的影响，达到最适宜于流量计安装及检测的条件。管道走向的变化会改变流场速度分布并使之产生扭曲，很多科研人员出于各种不同的目的都对这一现象进行过研究，相关的研究成果近年来己被成功应用于气体超声波流量计。1982年，ENAYET M M等人利用激光多普勒技术对单弯管流场进行了分析。1991年，LAI Y G等人利用理论推导与流体动力学相结合的分析方法计算了弯管中的流体扰动问题，对流场分布给出了数值解。1996年德国的科研人员HILGENSTOCK A和ERNST R将计算流体动力学与实验技术相印证，成功地分析了超声波流量计检测精度与弯管流场变形之间的关系。1999年，LIM K V等人探讨了直角弯管中流场对电磁流量计检测精度的影响情况，他们的实验测量数据最远到达弯管后部22倍直径的距离。2015年，吴春华利用实验测量系统测试了电路延时完成补偿算法，对多个标定流量点进行了样机实流检测，验证了通过测量压力差对弯管二次流误差修正的流畅适应性仿真结果和补偿方法的有效性。2014年，郑丹丹等人基于实流实验与数值仿真相结合，对单声道流量计的5种声道布置进行研究，表明声道布置对流场适应性有一定的影响。2006年孙金明等介绍了调节阀噪声的衰减措施以及对调节阀噪声导致的超声波流量计故障案例进行了分析。为了解决管道内气体流态不稳定导致的计量不精确和超声波噪声对超声波流量计的干扰等问题，山东思达特测控设备有限公司研制出了基于时差法单声道超声波流量计用降噪整流装置，并获得实用新型专利证书。降噪整流装置是基于流体在管道内的分布状态特点和超声波的测量原理进行研制的，气体整流装置的功能整流，是将管道内不规则气流变为规则气流或把旋转的气流变为直线流动的气流。
（二）新型整流装置
以时间差法为算法的单声道超声波流量计的测量实际为测量管道内流体的速度。由于管道内从中心到管壁流体的流场是不一样的，流速也是不一样的，因此管道内流场的分布直接影响着管道内流体的速度。在现场安装中，由于弯头、汇管和变径管的影响，下游的流场会不稳定。
由雷诺(Reynolds)实验我们可以知道，流体在管道中流动时因为黏滞力的存在而产生两种流态:层流与湍流。考虑到管道内流速分布的不均匀，一般会在管道内加装整流器，使流体通过整流器后，流速分布状况得到显著改善。
根据普朗特流速分布经验公式(式(1))可知，在不同流体状态下，流速分布是不同的。
（1）
式中，Vr为流体距离轴芯线r处的沿轴线方向的面平均流速;Vm为流体在轴芯线上的流速值(为Vr的最大值);R为管道的半径;n为流速分布指数，它与管道内的流体雷诺数Re有关，如公式(2)所示。Ww2
（2）
根据普朗特流速分布经验公式可以建立在湍流状态下的流速分布等效模型，如图2所示。
图2 湍流状态下，流速分布等效模型
假设流体处于湍流的临界状态，即Re=4000，此时根据公式(2)可以计算得到流速分布指数n=5;以管道轴芯线为竖坐标，管道半径为横坐标，建立转换模型，如图3所示，竖坐标表示气体流速，横坐标表示距离轴芯线的距离。
首先确定整流器开孔位置及开孔个数，设计为由对称环形分布的32个钻孔组成，孔的尺寸是管道内径D的函数。
(1)0.25D±0.0025D节圆直径上，一圈4个孔;
(2)0.50D±0.0050D节圆直径上，一圈8个孔;
(3)0.65D±0.0065D节圆直径上，一圈4个孔;
(4)0.75D±0.0075D节圆直径上，一圈8个孔;
(5)0.85D±0.0085D节圆直径上，一圈8个孔。
然后确定各节圆直径上开孔的直径，根据普朗特流速分布公式可以求得在各节圆直径上的流速V1、V2、V3、V4、V5，并求得位置与流速对应关系如图3所示。
图3 流速分布转换模型
加装整流器的目的是使经过整流后的流量分布均匀，即通过整流器后的体积流量是均匀的，假设流过节圆直径开孔的流速等于节圆直径上的流速，各节圆直径上开孔的总面积分别为A1、A2、A3、A4、A5，根据体积流量计算公式(3)，流过各节圆直径上开孔的体积流量相等。
（3）
式中:Q为体积流量，V为流体流速，A为过流横截面积。根据普朗特流速分布公式代入，可以得到公式(4)。
（4）
由于整流器是安装在管道内的，因此开孔面积与管道横截面积A有关。假设开孔总面积为1/2A，根据公式(4)计算得到A3=0.1A。同理可以计算A1、A2、A4、A5与总面积A的关系。
根据各节圆直径上开孔个数以及圆的面积计算公式可以得到各节圆直径上开孔的孔直径分别表示为d1，d2，d3，d4，d5，分别等于0.147D，0.108D，0．158D，0．116D，0．122D。确定好各节圆直径上开孔数目以及开孔直径后，需要确定开孔在节圆直径上的开孔位置，根据机械结构的特性，开孔位置如图4所示。
图4 各节圆直径上的开孔位置图
四.结论与展望
超声波流量计中加装气体整流装置对管道紊流气态有非常大的稳定作用，能有效提高气态平均分布，提高仪表测量精度。近年全球的主要研究方向也在于进一步优化气体整流装置以提高超声波流量计的测量精度，减小其测量误差。该领域技术先进国家，如日本，优势明显，我国仍处于跟随和模仿阶段。我国国内的设备，大多被国外进口产品垄断。目前，超声波测量领域核心技术被松下电器产业株式会社等少数大公司掌握，这对我国在该领域发展和国际化形成了巨大的专利压力。国内厂商掌握核心技术少，短期内落后局面难以改变，对于国内企业及科研机构而言，充分借鉴、吸收国外重点专利技术的同时，需要提高自主研发能力，加强自身品牌建设，增强知识产权保护意识。才能早日在该领域享有专利的一席之地，完成专利布局。
论文作者:郑涛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
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