表后彎管對超聲熱量表計量性能的影響

    0 引言

    隨著(zhù)我國熱水供暖方式的改革，繼電表、水表、燃氣表之后，熱量表已迅速進(jìn)入居民家庭。目前我國正在逐步推廣熱計量收費，凡使用集中供熱設施的城鎮新建公共建筑和居民住宅，都必須設計、安裝具有分戶(hù)計量和室溫調控功能的采暖系統，現有公共建筑和居民住宅也要進(jìn)行分戶(hù)計量改造。目前使用較廣的熱量表是超聲熱量表，超聲熱量表一般對前后直管段有嚴格要求。在供熱計量改造工程中，由于各種復雜條件的限制，時(shí)常有不能滿(mǎn)足超聲熱量表后直管段安裝要求的情況發(fā)生。本文針對此種情況，設計DN50mm彎管段，利用大口徑熱水流量標準裝置，測試表后彎管段對兩種超聲熱量表流量傳感器的影響。

    1 超聲式流量測量原理

    熱量表由流量傳感器、配對溫度傳感器和計算器三部分組成。流量傳感器為超聲流量計的熱量表稱(chēng)為超聲熱量表。熱量表的流量測量準確度直接影響到超聲熱量表的計量性能。超聲式流量測量一般采用時(shí)差法計算流體的流速。時(shí)差法的測量原理見(jiàn)圖1。

圖1 時(shí)差法超聲波流量測量原理圖

    1.1 流速方程式

    如圖1所示，超聲波逆流從換能器1到換能器2和返程的傳播速度分別為：

        （1）

        （2）

    式（1）減式（2），變換之，得

        （3）

    式中，L為超聲波傳播路徑長(cháng)度；X為傳播路徑的軸向分量；t_d、t_u為從換能器1到換能器2和從換能器2到換能器1的傳播時(shí)間；c為超聲波在靜止流體中的傳播速度；Vm為流體通過(guò)換能器1、2之間聲道上平均流速。

    1.2 流量方程式

    時(shí)差法所測量和計算的流速是聲道上的線(xiàn)平均流速，而計算流量所需是流通橫截面的面平均流速。二者是不同的，差異取決于流速分布狀況。因此，必須對流速分布進(jìn)行補償。體積流量Q為：

        （4）

    其中，K為流速分布修正系數，D為管道內徑。對于本文試驗用的彎管段，主要影響流量測量段的尾流區。通過(guò)試驗，檢測表后彎管段對兩種超聲熱量表流量的影響，分析結果差異原因。

    2 檢測過(guò)程

    選取計量性能較為穩定的兩種DN50mm超聲熱量表，利用大口徑熱水流量標準裝置，進(jìn)行表后豎直彎管、水平彎管和直管段的流量測量對比試驗。第一種為表長(cháng)30cm、十字導流片、縮徑設計的超聲熱量表，第二種為表長(cháng)20cm、十字導流片、縮徑設計的超聲熱量表。根據熱量表說(shuō)明書(shū)，將相應的溫度傳感器插入表體，進(jìn)行超聲波聲速實(shí)時(shí)溫度修正。圖2為表后彎管流量檢測試驗圖。

圖2 彎管流量檢測試驗

    采用靜態(tài)質(zhì)量法，在三種表后管段的條件下，選取0.6m³/h、1.5m³/h、4.5m³/h、15m³/h、25m³/h五個(gè)流量點(diǎn)，對超聲熱量表進(jìn)行流量總量檢測，計算其示值誤差。在檢測過(guò)程中，調節流量點(diǎn)誤差在±5%以?xún)�，檢測時(shí)間為2分鐘，每個(gè)流量點(diǎn)檢測3次，測試結果如下。每個(gè)點(diǎn)的檢測結果取3次檢測的平均值。

表1 第一種超聲熱量表流量示值誤差

表2 第二種超聲熱量表流量示值誤差

    3 檢測結果分析

    第一種超聲熱量表在三種表后管段情況下，流量計量性能穩定。三種表后管段情況下小流量點(diǎn)的流量差異相對較大，但均在誤差限范圍內。在每個(gè)流量點(diǎn)，表后直管段、水平彎管、豎直彎管的流量示值誤差有依次降低的趨勢。隨著(zhù)流量點(diǎn)的增大，檢測結果差異越小，每個(gè)檢測流量點(diǎn)的重復性均較好。

    第二種超聲熱量表與第一種超聲熱量表相比，趨勢一致。在每個(gè)流量點(diǎn)，表后直管段、水平管段、豎直管段的流量示值誤差也是依次降低的趨勢。區別在于第二種熱量表的每個(gè)流量點(diǎn)，表后直管段、水平管段、豎直管段的流量檢測結果差異比第一種熱量表要大，且重復性比第一種超聲熱量表差一些。

    由以上結果可以看出，表后彎管對超聲熱量表的流量測量有一定影響。原因在于彎管改變了超聲熱量表測量流場(chǎng)的尾流區，從而改變了截面流速分布，而流速分布系數K是針對直管段的修正系數，因此造成了超聲熱量表流量測量在三種管段下的差異。

    表體結構對超聲熱量表的流量測量有重要影響。為了使流場(chǎng)穩定，超聲熱量表的表體一般會(huì )采用表體加長(cháng)、縮徑、加整流裝置等結構方式。但縮徑和表前整流裝置會(huì )增加管道的壓力損失。從本文試驗可以看出，表體較長(cháng)的超聲熱量表，受尾流影響較小，在三種表后管段的情況下，流量測量結果差異小，重復性較好。

    4 結論

    本文試驗證明，表后彎管會(huì )降低超聲熱量表流量測量的示值誤差，表后豎直彎管的影響比水平彎管的影響大一些。因此，在施工中不能滿(mǎn)足后直管段的安裝要求時(shí)，盡量選擇表體較長(cháng)、帶有整流裝置的超聲熱量表，可以保證超聲熱量表良好的流量計量性能。