非稳态流场因素下的时差式超声流量测量机理研究

时差式超声波流量计依靠检测流动介质对超声波信号的调制作用，获得超声波信号在固定长度的渡越时间，进而推算介质的流速信息。但流速脉动、涡流、压力局部波动等非稳态流场因素的存在将引起调制信号频率抖动、波形整体偏移等现象，影响渡越时间的准确计算，进而影响计量精度。对大量数据平均处理虽然可以部分过滤随机抖动，却导致仪表响应速度严重下降。项目组认为超声波束抖动现象虽然由管道流场与超声波束耦合作用导致的传播路径不确定性引发，但其本质还是Snell现象的体现，声波传播虽然在局部时间点存在抖动，但通过对其在不同时间尺度上统计规律的分析可进一步获得脉动流速以及通常意义上的瞬时流速，达到同步提升超声波流量计动态响应和计量精度指标的目的。本申请将动态流场因素与流场内超声波传播模型结合，避免通常设计中的匀质流场假定，为解决时差式超声波流量计普遍存在的工程应用问题提供理论依据。

项目主要完成以下研究工作：.1、工作温度对换能器工作频率的影响实验研究及其在超声波流量计中的应用.换能器作为超声波流量计中的关键部件，是流量计获得流动信息的唯一检测元件。作为一种能量转换器件，其性能描述及评价需要很多参数。这些参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性等。其工作性能对流量计的工作有关键影响，而换能器的工作频率又是其最关键的工作参数，对工作温度极具敏感性。在不同的温度下其传输特性的差异将导致传输波形差异，并直接影响渡越时间判定，外在表现就是流量计的温度稳定性差。换能器的静态电容随温度的升高而增大，温度达到50℃时，静态电容较20℃变化在4%-12%之间，温度达到80℃时，变化达到14%-32%之间，具体变化程度与压电片品质，压电片数量和尺寸大小有关；换能器的动态电阻随着温度的升高而增大。相对20℃时的测量值，温度升高到50℃时，动态电阻的值大约升高20%左右，温度达到80℃时，动态电阻值大约升高50%左右，具体变化程度取决于换能器的各部分的材料与结构。项目对工作温度的影响问题进行了实验研究，相关成果模型用于具体的超声波流量计温度波动工况下的工程样机。..2、流场声场的耦合机理研究.超声波流量计的工作过程是激励信号通过换能器到声场再到换能器传播的过程，因此整个传播过程实际受到了流场（速度场）、压力场（密度场）和温度场等多个因素的共同影响，从而会比单一速度场作用带来更多的测量不确定度。且在传递过程还需要受到换能器等效模型的影响。在多耦合因素作用下，实际发射波形与接收波形的一致性存在较多问题，因此对其中的耦合机理与传递过程开展研究，将对提升有效信号比例有极大的实用性。项目开展了流场与超声耦合传播的仿真研究，运用有限元软件Ansys中的声学模块与其下的流体模块FLOTRAN，用有限元的方法提出一种新的声场与流场耦合模型。实现在仿真环境下的非稳态流场中，将非稳态因素变动体现到声道的非唯一性（多径传播）上，验证了传播时间与流量值之间的非线性对应关系，从而比单纯依据理想Snell效用获得的流量曲线更接近实际测量过程的仿真数据。在理论研究的基础上，项目提取了简化流场声场与换能器之间耦合关系的可操作性方法，实现工程上可实现的提升信号一致性解决方案，相关研究成果已授权发明专利。