多聲路超聲波流量計校準及相關(guān)問(wèn)題探討

    0 引言

    超聲波流量計實(shí)驗室標定的主要目的，一是為了某個(gè)實(shí)際的工程進(jìn)行模型試驗，二是作為計量設備進(jìn)行準確度標定。2006年，筆者全程參與了針對某泵站的模型試驗以及UF-911超聲波流量計實(shí)流校準試驗，2次試驗都取得了較好的結果。

    本文將對流量計實(shí)驗室實(shí)流校準的測量數據進(jìn)行相關(guān)分析，同時(shí)對試驗過(guò)程中獲得的經(jīng)驗以及出現的問(wèn)題和解決辦法進(jìn)行討論，希望能夠指導超聲波流量測量方法在實(shí)際工程中的應用。

    1 超聲波流量計測流方法

    超聲波流量計屬于速度式流量計范疇。其基本思路是：利用超聲波在液體中的傳播速度和液體實(shí)際流速的疊加原理[1-2]，首先計算得到流體的流速，然后根據流速對測量斷面面積的積分，得到測量斷面的流量。根據測量方式的不同，超聲波流量計可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類(lèi)型。

    超聲波流量計有不破壞被測流道形態(tài)、不影響被測流體的流態(tài)、成本不因為管（渠）道尺寸的增加而急劇增加（扣除增加聲路數量導致的換能器費用增加部分）、運輸方便、安裝方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，應用于大口徑流量測量?jì)?yōu)勢明顯，在發(fā)達國家已得到廣泛應用。國內從20世紀60年代開(kāi)始超聲波流量計的研究工作，到80年代取得實(shí)質(zhì)性成果，技術(shù)上也已經(jīng)成熟[3]。目前，國內外主要廠(chǎng)家的測量準確度基本上達到0.5級，實(shí)際投入使用的最大管道直徑已達到10.5 m（福建水口水力發(fā)電廠(chǎng)、三峽右岸機組管道直徑12.4 m，目前正在安裝階段）。據不完全統計，國內已在南水北調、引黃入晉、引灤入津、引額濟烏等40多個(gè)大中型水利項目以及豐滿(mǎn)、新安江、水口等80個(gè)左右的大中型水電廠(chǎng)引入了超聲波流量測量系統。

    2 超聲波流量計實(shí)驗室校準方案

    本文所介紹的2次流量計實(shí)驗室校準工作都是在國家水大流量計量站進(jìn)行的，該計量站是國家級法定計量檢定機構，負責全國范圍的水大流量計的檢定和校準工作，擁有世界最大的恒水頭（溢流水塔式）靜態(tài)容積法水流量標準裝置。

    2.1 試驗原理

    試驗系統原理如圖1所示。

圖1 靜態(tài)容積法流量計實(shí)驗室標定原理

    將待校流量計安裝在DN1000管道上，根據選擇的流量點(diǎn)開(kāi)啟DN1000管道上的流量調節閥門(mén)。

    由于水塔處于溢流狀態(tài)，所以水頭是恒定不變的，則流量調節閥門(mén)開(kāi)度確定后，待測流量計內的流量也是基本穩定的。試驗開(kāi)始之前，連接容器的換向器將水流導回積水池中；待流量穩定后，換向器將水流切換到標準容器中，同時(shí)開(kāi)始計時(shí)；試驗完成時(shí)，換向器將水流切換到積水池中，同時(shí)計時(shí)終止。該時(shí)段內容器中總的水量與時(shí)間的比值即為該試驗流量下的水流平均流量（標準流量）。

    2.2 試驗步驟

    1）安裝換能器：UF-911流量計的2次實(shí)驗室校準試驗都是采用4聲路外插式換能器。在對某泵站模型進(jìn)行實(shí)流校準的試驗過(guò)程中，流道形狀類(lèi)似于斷面漸變的有壓收縮方函，按照4層方函的積分方式計算流量。UF-911校準試驗是在標準的有壓管道中進(jìn)行，其換能器的布置形式及流量的積分方式按照圓管方式進(jìn)行。
    2）測量聲路參數：實(shí)際測量每個(gè)聲路的聲路長(cháng)和聲路角，作為流量計的參數進(jìn)行預保存。
    3）安裝測量管段：根據IEC 41標準的前10D后3D的規定選擇合適的位置，將待測的測量管段安裝到位。
    4）復查與校正聲路參數：在靜水條件下，利用干校驗法對測量得到的聲路進(jìn)行校正，并作為流量計的實(shí)際參數進(jìn)行存儲。
    5）動(dòng)水試驗：動(dòng)水條件下，根據實(shí)際需要，合理選擇5個(gè)流量點(diǎn)，每個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行3次試驗，記錄試驗數據，一般要求每次記錄的數據不少于20個(gè)。
    6）誤差分析與準確度評定：根據IEC 41標準的相關(guān)公式，對記錄的15組數據進(jìn)行流量計的基本誤差和重復度計算。根據計算結果，判定流量計是否達到要求的準確度等級。

    3 現場(chǎng)試驗數據及分析

    表1是實(shí)流校準試驗的實(shí)際數據�？梢钥闯�，本次校準達到了0.5級，但是第2和第3組數據的誤差明顯大于其他3組。其實(shí)，在試驗過(guò)程中已經(jīng)注意到了這個(gè)問(wèn)題，在流量為2500m³/h和3500m³/h的2個(gè)試驗點(diǎn)，測量管道內水流壓力的壓力表讀數不是很穩定，試驗管道有一定的振動(dòng)，可能是水流引起管道的共振，導致試驗段內的流態(tài)不是很穩定，從而使測量數據產(chǎn)生一定的誤差。

表1 UF-911超聲波流量計精度標定數據

    4 相關(guān)問(wèn)題探討

    從表1可以看出，試驗相當成功，也獲得了一定的經(jīng)驗�，F對試驗過(guò)程中出現的問(wèn)題分析如下。

    1）流量計參數的確定

    IEC 41標準中明確指出：超聲波流量計換能器的布置位置和幾何參數（聲路長(cháng)、聲路角等）是影響流量計測量精度的重要因素[1]。實(shí)際應用中，為保證超聲波流量計的測量精度，必須嚴格依照IEC 41標準的相關(guān)規定布置換能器，精確測量幾何參數。

    同時(shí)，在靜水條件下根據干校驗法進(jìn)行聲路參數的校核相當重要。在這2次實(shí)驗室標定過(guò)程中，充水前測量得到的聲路參數與實(shí)際使用的充水后依據干校驗法計算得到的聲路數據都有一定的誤差，可能是由于充水后引起管道的細微變形。從原理上說(shuō)，利用超聲波靜水的聲速與時(shí)差乘積計算的聲路45.大壩安全監控技術(shù). 李友平，等 多聲路超聲波流量計校準及相關(guān)問(wèn)題探討參數應該比人工用鋼卷尺測量得到的聲路參數更加精確。因此，在超聲波流量計實(shí)際投運過(guò)程中，應該首先采用測量得到的數據作為流量計參數以獲得超聲波信號，然后采用干校驗法復核測量參數，作為流量計實(shí)際使用的參數。

    2）共振或水錘對流量的影響

    從表1可以看出，因水流導致管道共振會(huì )使超聲波流量計的示值發(fā)生波動(dòng)，事實(shí)上是水流和流道的共振導致流道中壓力和水流流速的變化，從而影響了流量。

    某水庫引水工程實(shí)際應用中，流量計的瞬時(shí)流量示值出現了周期性波動(dòng)。起初用戶(hù)反映是流量計測量精度出現了問(wèn)題，后來(lái)通過(guò)分析知道，該工程屬于自流式引水管道，但是在十幾km管段范圍內沒(méi)有設置一個(gè)調壓井或者用其他方式來(lái)調壓，由于水錘的影響導致了管道內壓力和流速的周期性波動(dòng)，進(jìn)而使流量計測得的瞬時(shí)流量示值出現波動(dòng)。

    3）瞬時(shí)流量的界定與測量

    在試驗過(guò)程中，當閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，流量計瞬時(shí)流量示值的波動(dòng)較大。實(shí)際應用過(guò)程中，特別是水電廠(chǎng)機組效率試驗中，在機組工況變換后，必須經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，待流態(tài)穩定后再開(kāi)始相關(guān)數據的記錄，這樣才能保證所測流量和效率的精度。