扭曲流动剖面下超声波传播时间测量中的线到截面速度转换动态转换框架

《Flow Measurement and Instrumentation》：A dynamic conversion framework for line-to-section velocity conversion in ultrasonic transit-time measurement under distorted flow profiles

　　

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  动态转换校正超声波线到断面的速度偏差。
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  通过验证的CFD重建大尺度非圆形隧道流场。
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  线高度和实测线速度决定转换系数。
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  动态系数更新在流量变化后优于固定系数。
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  该方法支持可重新校准的超声波断面速度测量。

引言

超声波传播时间测量是一种基于路径的流量测量技术，具有非侵入式安装、响应快、压力损失可忽略以及适合封闭通道连续监测等特点。其在管道气流测量中的应用已通过实验得到验证[1]，超声波非侵入式计量研究指出，声学路径布置、安装条件和速度分布效应是影响测量可靠性的关键因素[2]。对于传播时间超声波系统，测量的时间差表示沿声学路径积分的速度信息；因此，直接输出的是线平均速度，而不是整个断面的面积平均速度。

当速度场不均匀时，这种线到断面的区别就成为测量偏差的来源。速度分布效应直接影响传播时间超声波流量计的精度[3]，偏转射线建模表明，声学传播路径和速度分布共同决定了传播时间差与平均速度之间的关系[4]。现有研究通过数值和实验流场分析、基于CFD的扰动补偿以及速度分布重建来解决这一问题。轴向速度分布、湍流结构和局部速度梯度影响超声波流量计的响应和流量重建[5]，[6]。流量模拟已被用于量化扰动补偿、管几何引起的分布畸变以及不确定入流条件引起的系统误差[7]，[8]，[9]。多路径换能器和基于测量模型的方法通过增加路径信息并减少对单一声学路径的依赖来提高超声波计量的精度[10]，[11]。Smith等人[12]提出了一种用于传播时间差超声波流量计的同时数据采集方法，其中上游和下游信号同时采集，使反向传播的超声波通过具有相同温度和流量分布的相同流体体积，从而减少与顺序采集和触发时间抖动相关的传播时间差波动。

大多数现有的校正方法是为圆管、标准仪表安装、小直径流量计或气体计量系统开发的。复杂隧道在这些系统的断面几何形状和测量目标方面均有不同。其断面大且非圆形，内部设施如输送机和管道占据部分流动通道，产生局部加速、低速区域和主流动核心的位移。地下矿井中的点到断面校正研究表明，局部传感器读数不能直接视为断面平均速度[13]。关于矿井通风的CFD研究也证实了需要表征隧道类空间中的非均匀速度场[14]。然而，在具有内部设施的大型非圆形隧道中，从超声波线平均速度到断面平均速度的自适应转换仍未得到充分解决。

在复杂隧道中，单一超声波声学路径仅对高度非均匀断面上的有限线段进行采样，测得的线平均速度可能高于或低于断面平均速度，这取决于测量线高度、速度水平和设施引起的流场畸变。当速度场随运行条件变化时，固定转换系数是不充分的。因此，本研究开发了一种动态转换框架，用于将复杂隧道中的超声波传播时间线平均速度转换为断面平均速度。现场多点测量提供参考断面平均速度和验证数据，而CFD模拟用于提取不同断面几何形状、内部设施布置、测量线高度、测量角度和气流速度下的线平均速度和断面平均速度。对于现场重建的隧道，二次响应面将转换系数与测量线高度和实测线平均速度相关联，其中断面几何形状和内部设施布置保持固定。主要贡献如下：（1）针对在畸变流场下的大尺度非圆形隧道类管道中的单路径超声波传播时间气流测量，构建了一个可重新校准的动态线到断面速度转换框架；（2）开发了一种经现场验证的CFD程序，用于重建大尺度复杂隧道的断面速度场并识别线到断面转换系数；（3）将测量线高度和实测线平均速度确定为控制转换系数动态变化的两个直接可用变量，并将其纳入响应面转换模型；（4）利用气流调节前后的现场测量数据，证明了所提出的动态转换方法相对于固定系数方法具有更好的适应性。

章节片段

超声波传播时间测量原理与线平均速度

超声波传播时间法通过比较超声波脉冲沿同一声学路径的下游和上游传播时间来估算气流速度分量[15]。在气流存在时，下游传播时间减小，而上游传播时间增大，从而产生可测量的传播时间差。由于超声波信号在有限的声学路径上传播，测量量代表线平均速度信息，而非

所提出的动态线到断面校正方法的总体工作流程

复杂隧道中的超声波传播时间测量得到的是沿声学路径的线平均速度，而非断面平均速度。当速度分布受到隧道几何形状、壁面效应以及输送机和管道等内部设施的畸变影响时，这两个量之间可能出现系统性差异。为了量化和校正这一差异，基于超声波

断面速度分布特征

图8显示了无内部设施的简化工况下的断面速度分布。在这些条件下，速度分布主要受壁面约束和断面几何形状控制。半圆拱形、矩形和梯形断面均表现出靠近壁面速度较低、中心区域速度较高的基本模式。主流动区域保持相对连续，速度等值线随

结论

针对大尺度非圆形复杂隧道中的超声波气流测量，开发了一种可重新校准的动态线到断面速度转换方法。该方法结合了现场测量、CFD重建、转换系数识别和动态模型验证。主要结论如下：

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  在所研究的构型中，内部设施改变了断面速度分布以及单一超声波路径的代表性。

CRediT作者贡献声明

Zehua Wang：写作 – 原稿，方法学。 Tianxuan Hao：项目管理，资金获取。 Yiju Tang：形式分析，概念化。 Fan Li：可视化，验证。 Lizhen Zhao：调查，数据管理。 Ming Xu：数据管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

Zehua Wang|Tianxuan Hao|Yiju Tang|Fan Li|Lizhen Zhao|Ming Xu