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斜插式超声流量计|探头插入深度精度影响|厂家型


文章日期:2017-10-31|阅读数:


摘 要: 研究了 DN500 和 DN1000 口径斜插式超声流量计探头安装位置影响误差,针对凸出、相切和凹陷 3 种探头安装位置分别进行了实验研究。得到了不同探头安装位置对流量计流量测量引入的误差,分析了探头影响误差的来源,深入剖析了流量计表体大小及声道数与探头安装位置引入误差的关系。通过分析给出按照相切位置安装探头的流量计不需进行探头位置影响误差修正,按照凸出位置安装的流量计可以使用修正公式进行修正,修正后流量误差接近于零。凹陷探头修正声道范围影响误差后,流量测量误差变为正值,其探头流场扰动影响需要积累较多数据后根据经验进行修正。

1、引言:
  近些年来,水资源的节约与合理利用以及水能资源的高效利用成为关注的焦点,对大口径水流量的准确计量成为引水输水工程及水轮机效率评估的关键环节。多声道超声流量计以其便于安装、无口径限制、流速范围宽、无压力损失等特点成为大口径水流量测量的主要技术手段[1-5]。但是由于目前国内水流量标准装置能力的限制,对超大口径超声流量计的检定和校准成为一个难题,为了解决这一困难,中国计量科学研究院已经制定出 DN1000-DN15000 液体超声流量计非实流校准规范并申请报批,可以通过校准影响流量测量结果的各个分量来校准大口径超声流量计[6-8]。多声道超声流量计利用多对在一定声道高度上安装的超声探头测量对应声道线上的平均流速,然后将这些声道速度按照一定的权重加权求和得到整个截面的流量,国际电工委员会的 IEC41[9]和美国机械工程师协会的 PTC18[10]中给出了多声道超声流量计的声道安装高度和流量计算权重系数。超声流量计的流量计算权重系数是根据无探头管道的流场计算得到的,实际探头安装情况会改变声道测量范围并扰动流场,给流量计测量结果引入误差。针对这一问题,在非实流校准中,除需校准声道距离、计时系统等分量外,还要评估超声流量计探头安装方式引入的流量测量误差。
  Alex Voser[11-12]和 Francis Lowell[13]等学者利用实验和 Computational Fluid Dynamics( CFD) 数值计算对水轮机引水管道内安装的直插式( 凸出) 和内装式超声探头扰流情况进行研究,分析了不同探头和线缆安装形式给流量测量引入的误差。然而,超声流量计探头安装形式多样,不同的探头安装形式的误差来源有所差异,对流场扰动的程度也不同。斜插式超声流量计普遍应用于工业领域[14],目前针对斜插式超声流量计探头引入流量测量误差的研究还比较少,国内部分生产厂家由于缺乏经验不清楚采用哪种插入深度引入误差***小。本文通过实验,研究了斜插式超声流量计探头插入深度对流量测量误差的影响,得到了安 装 位 置,并 讨 论 了 其 他 安 装 方 式 的 误 差 修 正方法。

2、探头插入深度影响实验:
2. 1、探头安装形式:

  一般来说,大口径水流量超声流量计的探头安装形式主要有插入式( 直插、斜插) 和内装式,如图 1 所示。本文主要研究斜插式超声流量计探头安装位置对其流量测量准确度的影响,其超声探头根据插入深度可以分为凸出、相切和凹陷 3 种安装位置,如图 2所示。
图1 超声流量计探头安装形式
图1 超声流量计探头安装形式


图1 超声流量计探头安装形式
图2 不同探头插入深度的声道测量范围

图2 不同探头插入深度的声道测量范围

2. 2、实验方案:

  斜插式超声流量计探头插入深度影响实验在中国水利水电科学研究院的 DN500 口径水流量装置和开封水大流量计量站的 DN1000 口径装置上开展。水科院的水流量装置是基于静态质量法的标准装置,其装置不确定度为 0. 05% ,DN500 口径管路的***大流速 8 m/s。开封水大流量计量站水流量装置基于静态容积法,装置不确 定 度 为 0. 1% ,DN1000 口 径 管 路 *** 大 流 速 为3. 5 m / s。在 DN500 口径实验中,使用了 1 台斜插式 8 声道超声流量计; 在 DN1000 口径实验中使用 1 台 18 声道超声流量计; 2 块流量计声道位置均按照 Gauss-Jacobi 方式排布[9-10],由于 Gauss-Jacobi 声道排布方式中 18 声道超声流量计的第 2、4、6、8 交叉声道位置和 8 声道超声流量计探头位置完全重合,因此根据 DN1000 口径 18 声道超声流量计的声道速度数据可以积分得到 DN1000 口径8 声道超声流量计的流量测量值。2 台流量计均采用交叉断面设计,声道角为 60°,2 台表体共用 1 台流量计主机和探头。
  本实验研究了凸出、相切和凹陷 3 种不同安装方式给 2 种口径超声流量计测量结果引入的误差情况,每种安装方式均进行了不同流速的实验。在每次更换表体或者调整探头插入深度后均使用内径千分尺重新测量每对探头的间距,并将测量值在实验前置入到流量计主机中,以确保探头间距数据的准确可靠。根据流量计检定规程,通过比较检测时间段内的流量计累积流量值和标准器的累积量得到流量计的测量误差,计算公式如下所示:
DN500 口径实验:
DN500 口径实验:
3、实验结果及分析:
3. 1、探头安装位置引入误差:

  与直插式、内装式超声流量计相似,斜插式超声流量计探头插入深度对测量结果的影响体现在 2 个方面。首先,超声探头的凸出或凹陷造成探头测量的声道范围不同,如图 2 所示。超声流量计测量的是两探头间声道线上的平均流速值,凸出的探头会忽略靠近边壁部分的流速,测量的是核心区域的流速平均值,因此测量结果比无探头影响时略高,造成流量测量正误差; 凹陷探头测量的是管道内声道线以及探头凹陷处死水区的平均流速,相比无探头影响时增加了两端的死水区,因此其测量的平均流速偏低,造成流量测量负误差; 按照相切位置安装的探头声道范围和无探头时相同,因此由于声道范围造成的测量结果误差为零。
   其次,探头对流场的扰动会改变探头附近声道线上的水流速度,从而造成流量测量误差。对于凸出的探头,在没有探头扰流影响时,水流速度沿管道轴线方向,探头附近的水流流速在声道线方向上有投影分量; 当探头扰流时,如图 3 所示,探头附近的水流速平行于探头端面,造成这部分水流流速在声道线方向的投影量为零,因此降低了声道测量平均流速,造成流量测量负误差; 按照凹陷和相切方式安装的探头也会影响探头附近的流场,在探头附近区域改变流速的大小和 方 向,***终给超声流量计声道流速测量引入误差。
图 3 探头流场扰动对流速测量的影响
图 3 探头流场扰动对流速测量的影响
  上述这 2 种因素造成的流量测量误差会相互叠加或抵消,具体影响程度还需通过实验来进行分析。
  按照不同探头插入深度安装的 DN1000 口径 18声道超声流量计流量测量误差如图 4 所示,探头按照凸出方式安装时为正误差,按照凹陷方式安装时为负误差,按照相切方式安装时测量误差***接近零,并且在全部流速范围内始终保持这一趋势。结合前述误差来源分析可知,按照凸出方式安装的流量计探头声道范围造成的误差( 正误差) 要大于探头扰流造成的误差( 负误差) ; 按 照 相 切 方 式 安 装 的 流 量 计 声 道 范围影响误差为零,其接近零的误差结果说明其探头扰流造成误差也很小; 凹陷探头声道范围影响误差为负值,与实测结果相符,由于缺少测量探头凹陷处流场情况的实测数据,在 4. 2 节中修正声道范围影响误差后的结果将说明凹陷探头扰流影响误差为正值。从上述 3 种探头安装位置流量测量误差结果可以推知,对于较大口径的超声流量计,探头声道范围变化是流量测量误差的主要来源。
图 4 DN1000 18 声道超声流量计不同探头位置测量误差
图 4 DN1000 18 声道超声流量计不同探头位置测量误差

3. 2 、不同口径流量计探头位置引入测量误差:
  DN500 和 DN1000 两 种 口 径 下 8 声 道 超 声 流 量计的测量误差如图 5 所示。由图可见,虽然两流量计共用一套超声探头与流量计主机,但是在相同的安装位置 下 DN500 口 径 流 量 计 的 流 量 测 量 误 差 大 于DN1000 口径流量计 ,特别是在凹陷情况下差异尤为突出。由于 2 种不同口径的流量计探头在按照凸出、相切或凹陷位置安装时相应探头的伸缩比相同,并且两者雷诺数相近,所以其声道范围造成的流量测量误差应基本一致,2 种口径流量计测量误差的差异主要由于不同口径流量计中探头扰流影响不同。由此可知,对于相同大小的探头,流量计表体口径越小,由于探头扰流造成的流量测量误差越大; 相比凸出和相切安装,凹陷安装方式在小口径下的测量误差较大; 随着主流速度的增加,小口径流量计由于扰流造成的流量测量误差逐渐减小,并趋于恒定。
图 5 不同口径 8 声道超声流量计流量测量误差

图 5 不同口径 8 声道超声流量计流量测量误差

3. 3、不同声道数流量计探头位置引入测量误差:
  DN1000 口径 8 声道和 18 声道超声流量计在不同探头安装位置情况下的流量测量误差如图 6 所示。2 种声道数流量计在 3 种探头安装位置的流量测量误差趋势基本一致,凸出为正误差,凹陷为负误差,相切误差接近零;3 种安装位置的 8 声道超声流量计的测量误差均比 18 声道测量误差向正向偏移; 凸出探头流量计误差偏移量***小,凹陷探头流量计偏移量***大。
图 6 DN1000 8 声道和 18 声道超声流量计流量测量误差

图 6 DN1000 8 声道和 18 声道超声流量计流量测量误差
  本文中的 8 声道和 18 声道超声流量计均依据 Gauss-Jacobi积分方法,这一方法使用 n 条声道线上的速度构建2n - 1 阶多项式进行差值计算,但在这一方法在管壁附近没有任何插值点,所以不能解释在那里的零流速,因此差值会导致边壁流速偏高[15]。相比 8 声道超声流量计,18 声道超声流量计在靠近边壁处增加了 4 组探头,因此 18 声道超声流量计在边壁附近插值误差小于8 声道流量计,造成 8 声道流量计流量测量误差高于18 声道的现象。
  探头安装位置对不同声道的声道速度测量误差影响大小是不同的。以相切位置为基准的 AB 交叉断面声道平均速度如图 7 所示,凸出与相切探头安装位置各声道速度的差异在 - 0. 7% ~ 1. 2% ,相比而言 1 声道和 9 声道速度差异较大; 凹陷与相切位置各声道速度差异为 -4. 9% ~ 0. 8% ,1 声道和 9 声道速度差异很大,分别达到了 - 4. 9% 和 - 2. 9% 。在计算 8 声道流量计流量测量值时使用了第 2、4、6、8 声道速度; 而在计算 18 声道流量计流量测量值时将使用 1 ~ 9 声道速度。在 9 个声道平面中,只有第 1 和第 9 声道在不同安装位置下流速测量值差异较大,并且凹陷-相切差异大于凸出-相切差异,因此这一差异造成了凹陷位置 8 声道和 18 声道流量计测量误差偏差大于凸出位置。
图 7 超声流量计不同探头安装位置归一化流速差异
图 7 超声流量计不同探头安装位置归一化流速差异


4、探头安装位置引入误差修正:
  对比 3 种探头安装位置流量计的流量测量误差,按照相切位置安装造成的测量误差***小。究其原因,按照相切位置安装引起的声道范围影响误差为零,探头扰流误差***小,因此对于插入式多声道超声流量计采用相切探头安装位置不需进行任何修正即可得到较为理想的结果。对于采用另外 2 种安装方式的流量计,可 对 其 测 量 结 果 进 行 修 正 来 降 低 流 量 测 量误差。

4. 1、凸出探头测量误差修正在日本标准 JEC4002 中使用一个系数来修正探头凸出效应,其计算公式如下:
其计算公式如下

其计算公式如下
  式中: L 为声道线与管道内壁交点间的距离,ΔL 是探头端面和 声 道 线 端 点 ( 声 道 线 与 内 壁 交 点) 间 的 距离,式中的 n 值为管道内流速剖面按照指数分布拟合时的幂指数( 1 /n) ,一般式中 n 取 10[15]。Alois Nich-tawitz 等人[15]利用这 一 公 式 对 直 插 式 超 声 流 量 计 的探头凸出效应进行了修正,将探头凸出误差从0. 71%降低到 - 0. 18% 。
  用这一公式,可以对本文中按照凸出位置安装的斜插式超声流量计测量结果进行修正,修正公式中n 取 10[15],修正结果如图 8 所示。对于不同口径不同声道数的超声流量计经过修正后其探头凸出效应几乎被完全消除了,修正后的结果甚至好于按照相切探头安装位置的流量计。
图 8 探头凸出效应修正结果

图 8 探头凸出效应修正结果
  文中对 DN1000 口径 8 声道超声流量计使用不同n 值修正后的结果进行了研究 ,式中 n 值大小对修正结果的影响如图 9 所示。n 取 10 时修正后误差***接近零,当 n 值大于 10 时修正不到位,
n 值小于 10 时过度修正。
图 9 探头凸出修正系数影响









图 9 探头凸出修正系数影响
4. 2 、凹陷探头测量误差修正:
  虽然一些国外厂商的斜插式超声流量计采用凹陷探头设计,但是未见有公开报道的探头位置修正方法。凹陷探头安装位置的误差来源分为声道范围影响误差和探 头 扰 流 误 差,下 面 对 声 道 范 围 影 响 误差进行修正。由于超声探头的流速测量原理如下式所示:
计算公式
式中: L 为探头间距离,φ 为声道线与管道轴线的夹角,t 为超声传播的时间,Δt 为由于介质流动产生的正负向超声传播时间差。由于探头按照凹陷位置安装,可以假设探头凹陷处内部为死水区,因此时间差 Δt 完全由主流区水流流动产生。此外凹陷安装位置导致声道线距离和超声传播时间增加,为了修正这一影响,
可将探头虚拟安装在相切位置,将声道距离 L 和超声传播时间 t 分别除以对应声道探头凹陷时的声道长度再乘以探头相切时的声道长度,从而将声道长度和传播时间均修正到相切安装情况,所得结果如图 10 所示。
( a) DN1000 18 声道超声流量计
图 10 探头凹陷声道范围影响修正

图 10 探头凹陷声道范围影响修正
  由图可见,修正后凹陷探头测量结果呈正误差。这说明在修正时未考虑的探头扰流影响误差不能忽略,探头凹陷内部也不为死水区,其误差为正值。对比 DN1000 口径 8 声道和 18 声道流量计修正后结果,
两者修正后误差大小相近,这说明不同声道均存在探头扰流误差。
  探头扰流误差和流量计探头的大小、形状,表体尺寸,声道角度,水流速度均有关联,对这一误差的修正需要通过积累大量实验或计算数据,根据经验进行修正。由于本实验中无法获得探头凹陷处流场数据,因此无法定量给出探头扰流误差修正方法,但研究团队将开展探头模型试验,使用激光多普勒测速技术结合 CFD 计算研究凹陷探头内部流场情况。

5、结论:
  斜插式超声流量计的误差来源分为声道范围影响误差和探头扰流误差两部分。凸出的探头会引入正向误差,凹陷的探头会引入负向误差,相切的探头引入误差***小,接近于零。比较 DN500 和 DN1000 两种口径的流量计可知,探头安装位置相同时,小口径流量计的探头位置影响误差大于大口径流量计,并且这一差异是由于探头扰流引起的。对于不同声道数的流量计,探头安装位置引入误差的趋势相同,8 声道超声流量计测量误差比 18 声道测量误差向正向偏移。探头按照相切位置安装时流量计不需对探头影响进行修正。日本标准 JEC4002 中的探头凸出影响修正公式同样适用于斜插式超声流量计,经修正后凸出探头流量计的测量误差接近于零,修正系数 n 取 10。凹陷探头修正声道范围误差后流量测量误差为正,说明探头扰流影响误差不能忽略,且其值为正。凹陷探头扰流误差和许多参数有关,需要针对特定的情况进行大量实验或计算得到。


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