多声路超声波流量计校准及相关问题探讨

    0 引言

    超声波流量计实验室标定的主要目的，一是为了某个实际的工程进行模型试验，二是作为计量设备进行准确度标定。2006年，笔者全程参与了针对某泵站的模型试验以及UF-911超声波流量计实流校准试验，2次试验都取得了较好的结果。

    本文将对流量计实验室实流校准的测量数据进行相关分析，同时对试验过程中获得的经验以及出现的问题和解决办法进行讨论，希望能够指导超声波流量测量方法在实际工程中的应用。

    1 超声波流量计测流方法

    超声波流量计属于速度式流量计范畴。其基本思路是：利用超声波在液体中的传播速度和液体实际流速的叠加原理[1-2]，首先计算得到流体的流速，然后根据流速对测量断面面积的积分，得到测量断面的流量。根据测量方式的不同，超声波流量计可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型。

    超声波流量计有不破坏被测流道形态、不影响被测流体的流态、成本不因为管（渠）道尺寸的增加而急剧增加（扣除增加声路数量导致的换能器费用增加部分）、运输方便、安装方法简单等特点，应用于大口径流量测量优势明显，在发达国家已得到广泛应用。国内从20世纪60年代开始超声波流量计的研究工作，到80年代取得实质性成果，技术上也已经成熟[3]。目前，国内外主要厂家的测量准确度基本上达到0.5级，实际投入使用的最大管道直径已达到10.5 m（福建水口水力发电厂、三峡右岸机组管道直径12.4 m，目前正在安装阶段）。据不完全统计，国内已在南水北调、引黄入晋、引滦入津、引额济乌等40多个大中型水利项目以及丰满、新安江、水口等80个左右的大中型水电厂引入了超声波流量测量系统。

    2 超声波流量计实验室校准方案

    本文所介绍的2次流量计实验室校准工作都是在国家水大流量计量站进行的，该计量站是国家级法定计量检定机构，负责全国范围的水大流量计的检定和校准工作，拥有世界最大的恒水头（溢流水塔式）静态容积法水流量标准装置。

    2.1 试验原理

    试验系统原理如图1所示。

图1 静态容积法流量计实验室标定原理

    将待校流量计安装在DN1000管道上，根据选择的流量点开启DN1000管道上的流量调节阀门。

    由于水塔处于溢流状态，所以水头是恒定不变的，则流量调节阀门开度确定后，待测流量计内的流量也是基本稳定的。试验开始之前，连接容器的换向器将水流导回积水池中；待流量稳定后，换向器将水流切换到标准容器中，同时开始计时；试验完成时，换向器将水流切换到积水池中，同时计时终止。该时段内容器中总的水量与时间的比值即为该试验流量下的水流平均流量（标准流量）。

    2.2 试验步骤

    1）安装换能器：UF-911流量计的2次实验室校准试验都是采用4声路外插式换能器。在对某泵站模型进行实流校准的试验过程中，流道形状类似于断面渐变的有压收缩方函，按照4层方函的积分方式计算流量。UF-911校准试验是在标准的有压管道中进行，其换能器的布置形式及流量的积分方式按照圆管方式进行。
    2）测量声路参数：实际测量每个声路的声路长和声路角，作为流量计的参数进行预保存。
    3）安装测量管段：根据IEC 41标准的前10D后3D的规定选择合适的位置，将待测的测量管段安装到位。
    4）复查与校正声路参数：在静水条件下，利用干校验法对测量得到的声路进行校正，并作为流量计的实际参数进行存储。
    5）动水试验：动水条件下，根据实际需要，合理选择5个流量点，每个流量点进行3次试验，记录试验数据，一般要求每次记录的数据不少于20个。
    6）误差分析与准确度评定：根据IEC 41标准的相关公式，对记录的15组数据进行流量计的基本误差和重复度计算。根据计算结果，判定流量计是否达到要求的准确度等级。

    3 现场试验数据及分析

    表1是实流校准试验的实际数据。可以看出，本次校准达到了0.5级，但是第2和第3组数据的误差明显大于其他3组。其实，在试验过程中已经注意到了这个问题，在流量为2500m³/h和3500m³/h的2个试验点，测量管道内水流压力的压力表读数不是很稳定，试验管道有一定的振动，可能是水流引起管道的共振，导致试验段内的流态不是很稳定，从而使测量数据产生一定的误差。

表1 UF-911超声波流量计精度标定数据

    4 相关问题探讨

    从表1可以看出，试验相当成功，也获得了一定的经验。现对试验过程中出现的问题分析如下。

    1）流量计参数的确定

    IEC 41标准中明确指出：超声波流量计换能器的布置位置和几何参数（声路长、声路角等）是影响流量计测量精度的重要因素[1]。实际应用中，为保证超声波流量计的测量精度，必须严格依照IEC 41标准的相关规定布置换能器，精确测量几何参数。

    同时，在静水条件下根据干校验法进行声路参数的校核相当重要。在这2次实验室标定过程中，充水前测量得到的声路参数与实际使用的充水后依据干校验法计算得到的声路数据都有一定的误差，可能是由于充水后引起管道的细微变形。从原理上说，利用超声波静水的声速与时差乘积计算的声路45.大坝安全监控技术. 李友平，等 多声路超声波流量计校准及相关问题探讨参数应该比人工用钢卷尺测量得到的声路参数更加精确。因此，在超声波流量计实际投运过程中，应该首先采用测量得到的数据作为流量计参数以获得超声波信号，然后采用干校验法复核测量参数，作为流量计实际使用的参数。

    2）共振或水锤对流量的影响

    从表1可以看出，因水流导致管道共振会使超声波流量计的示值发生波动，事实上是水流和流道的共振导致流道中压力和水流流速的变化，从而影响了流量。

    某水库引水工程实际应用中，流量计的瞬时流量示值出现了周期性波动。起初用户反映是流量计测量精度出现了问题，后来通过分析知道，该工程属于自流式引水管道，但是在十几km管段范围内没有设置一个调压井或者用其他方式来调压，由于水锤的影响导致了管道内压力和流速的周期性波动，进而使流量计测得的瞬时流量示值出现波动。

    3）瞬时流量的界定与测量

    在试验过程中，当阀门开启或关闭时，流量计瞬时流量示值的波动较大。实际应用过程中，特别是水电厂机组效率试验中，在机组工况变换后，必须经过一段时间，待流态稳定后再开始相关数据的记录，这样才能保证所测流量和效率的精度。