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多聲道超聲波流量計
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多聲道超聲波流量計簡介:
水輪機現場效率試驗要求對流量進行高精度的測量， 為此曾采用過很多的流量測量方法。近年來，超聲流量計在水輪機流量測量中日漸增多，而且已被的IEC和ASME標準c 1，2)所接受。但在實際應用中， 應考慮到超聲流量計存在著這樣一些問題，傳感器在流遭中形成一個凸點和在安裝中出現偏差。而這些在上述標準的草案中尚未引起注意。在安裝多聲道超聲波流量計時， 傳感器必須安裝在流道內以接收或發進超聲波脈沖，必然在流道中形成凸點。這樣在鋇j量時， 從流道內壁到傳感器凸點問這段超聲波聲道外的流速分布被忽略了。予是用超聲流量計測量的平均流速總比從管道內壁到內壁問通過全程超聲波聲道的實際平均流速大。所以，超聲流量計的流量測量值大于實際流量值。在現場效率試驗中，這種由傳感器凸點引起的偏差應當加以考慮。
多聲道超聲波流量計原理，超聲傳感器在流道中的位置可利用積分法預先確定。但在現場試驗中， 很難保證傳感器準確無談地安裝在預定位置上。于是，應當考慮傳感器安裝誤差的影響并給出偏離正確位置的允許范圍。針對這些問題， 本文通過數字仿真，對傳感器凸點和位置偏差引起的超聲波流量計流量測量偏差進行了評估。在此基礎上，提出了減小傳感器凸點引起流量測量偏差的修正方法，還推導了由于傳感器位置誤差 i起的流蛩漏蕾偏差的估算方法。
通過對一臺1 37 MWI~J水輪機進行了現場流量實鍘，給出該修正方法用于現場效率實測的一個實倒。
多聲道超聲波流量計的原理
超聲波傳感器和超聲波聲道的布置圖， 從圖上還可觀察到傳感器在流道中的凸點。用超聲流量計可測量沿每一聲道的平均流速， 然后對各聲道的平均流速 加權半均后求出流量， 見式(1)
式中 K——對應預先積分方法的形狀系數
D—— 流道的內徑 ’
一· 第 聲道的 Ⅱ權系數，根據積分方法預先確定— — 糟第 聲道從流道內壁到內瞳的
平均軸向流速工 i～ 沿第壚道趴流道內鼙到由壁問
的距離
Li—— 沿第 聲道發送和接收傳感器表面之間的距離
0 —— 第壚道與流道軸線的相對夾角
— — 超聲波聲道總數下標“ ” 為聲道標號， 范圍為1～ 。。
(1)中聲道的位置、加議系數 。和形狀系數劂藍根據所采用的通道數 ，和積分方法預先確定。積分方法有高斯一雷根德(Gauss—Legcndrc)法(簡稱G-L法)和高新—雅可比(Gauss—Jacobi)法(簡稱G—J法)兩種。對于四聲道超聲流量計， 上述參數值覓表1， 這些值巳被壤新的IEC標準和ASME標準版本草案所采用。
表1 國斷面超聲波聲道位置和積分系數
多聲道超聲波流量計如果用于精確凰斷面流道的流量測量，而且每個聲道完全按表1所確定的位置布置，則式(1)可簡化為式(2)，式
(2)中的新加權系數 見表2
表2 簡化形式中圓斷面超聲波聲道
位置和積分系數
3 數字仿真預測超聲流置計的誤差
3．1 數字仿真方法為了估算由于傳感器在流遭中的凸點和安裝偏差引起的瀑差， 可采用數字仿真技術。內壁光滑和粗糙的封閉管道中紊流的流速分布公式見襄3和圖2， 這個公式可用于數字仿真，各符號的定義見表3。在數字仿真中，超聲流量計的誤差定義為0 o和0 之差， 其中0。為對整個斷面上的流速分布進行精確積分的結果，0 為對各聲道平均流速U 。(溈聲道號， =1～ 4)積分的結果 u i通過沿一對發送和接收傳感器之間的聲遭軌跡對流速進行積分求出， 其中包含各種情況下不同程度的傳感器凸
點和安裝偏差的影響。撥式(1)的方法通過
表3 用于教宇仿真的流速分布
麥珥|； case} 條睜
軸靛商軸向流速 U。 管道截面走舌}c矗．
Y—— 從竹越內壁掰巾心柏徑[占I距離； D一管道內在
● 津擦贏譴； K e 管道 蟹 繾I芏．
數字仿真管道中的巍速分
3．2 傳感器凸點目1起的偏差圖3為在流道中有傳感器凸點的蓉件下數字仿真的結果。圖中， 。為管道截面軸向流速， 由表3中的等式給出，U 為管道平均流速，通過真實流量0。求出} 比值uo／表明流速的分布形狀，A 為傳感器凸點到流道壁末被測量的徑向距離。在數字仿真中，比懂厶 D的變化范圍為0．0025～O．06 根據圖3的結果， 流量測量主要受Ad／D的影響，A ／D越大，影響越大，而當比值uo／ 增大時， 這種影響將加劇。
沒有對趣聲流量計 感器凸點進行修正的數字仿真結果
3．3 對儔感器凸點引起的偏差的修正方法首先必須知道傳感器凸點與管道內壁問的流速分布， 然后估算由于傳感器凸點而忽略這部分流速分布的影響。為此，假設流道內壁間沿聲道的流速分布可以用1／n方來喪示 即
式中“ (f)—— 第 聲道的軸向流速
U —— 第：聲道的軸向流速
l—— 沿第 聲遭到流道冉壁問的距離
— — 指數分量， 見表4
襄‘ 指散分量指
多聲道超聲波流量計
指數分量 根據流道中流動的雷諾赦m 來確定，如表4所示 -在現場效率實涮的窩隔瘟用l申，，番諾散的變化范圍通囂曲1 ～ 如 ，所以， 指數分量可取 =10。 ；式(g)為管道內壁矧艏 離譴揩 鏜建分布 (z'的裘達式。正確l韻平埋潛逮盛對j(，)沿第i聲道進行積分求出，具體
然而，第 聲遺測量肭平均流速u 為轉感器凸點之間的平均流速。u ；可通過對式
(3)的流速分布 i(z)沿第i聲道進行積分求出，積分區聞為發送和接收傳感器之間， 具體如下t
式中L i—一沿第 聲道從管道內壁到內盛之問的既離， 見IIVZ△出 —一沿第演道從管道冉壁弼轉盛器凸點之間的距離。見 i
比較式(4)和式(5)可知，如果在流道內壁之間流速沿聲蘸按1／n次方分稚，、正確
的聲道平均流速U 可通過發送和接收傳感器之間測量到的平均流速u 進行估算，具體如下:
這樣，可用正確的平均流速u 代替測量平均流速u? 求出正確的流量0 。通過式
(8)求出的n=10時的p 可得出計算仿真結果(圖4)。由圖可知，采用該修正方法后，在正常的素流范圍內仍殘留約0．2 ～O．7 的
流量偏差， 盡管如此，通過比較圖8和圖4，表明該慘正方法還是能明顯地減少由于傳感器凸點引起的流量偏差。所以， 該慘正方法對于超聲流量計的實際應用具有十分重要的意義該慘正方法已被日本電工委員會標準(3EC)
所采納[3]。
超蘆流量計對傳感器凸點引起的偏差進行修正后的數字仿真結果3．4 由于傳感器安裝誤差引起的流量偏差
為了評估安裝誤差的影響和討論安裝誤差的允許范圍，假定在圖5的條件下進行數字仿真。數字仿真僅針對G—J法并忽略傳感器凸點的影響。假定管道截面：是直徑為D 的真圓形，壘部聲道的位羞與表1所確定的正確位置的誤差均為△ ，A 為負時表示偏向管道中心， △ 為正對表示偏離管道中心， 利用數字仿真來討論下列方法。
方法A：測量聲道軌跡長度L ．和角度0．，
計算每個聲道的平均流速。然后再利用式(1)
計算流量，計算中用到L 和0 。
方法B：通過測量聲道軌跡長度L， 和角崖o{計算每個聲道的平均流速。利用式(2)計算流量，計算中只用到管道內徑測量值D， 而沒用到L 和0 。多聲道超聲波流量計簡介
水輪機現場效率試驗要求對流量進行高精度的測量， 為此曾采用過很多的流量測量方法。近年來，超聲流量計在水輪機流量測量中日漸增多，而且已被的IEC和ASME標準c 1，2)所接受。但在實際應用中， 應考慮到超聲流量計存在著這樣一些問題，傳感器在流遭中形成一個凸點和在安裝中出現偏差。而這些在上述標準的草案中尚未引起注意。在安裝多聲道超聲波流量計時， 傳感器必須安裝在流道內以接收或發進超聲波脈沖，必然在流道中形成凸點。這樣在鋇j量時， 從流道內壁到傳感器凸點問這段超聲波聲道外的流速分布被忽略了。予是用超聲流量計測量的平均流速總比從管道內壁到內壁問通過全程超聲波聲道的實際平均流速大。所以，超聲流量計的流量測量值大于實際流量值。在現場效率試驗中，這種由傳感器凸點引起的偏差應當加以考慮。
根據超聲流量計原理，超聲傳感器在流道中的位置可利用積分法預先確定。但在現場試驗中， 很難保證傳感器準確無談地安裝在預定位置上。于是，應當考慮傳感器安裝誤差的影響并給出偏離正確位置的允許范圍。針對這些問題， 本文通過數字仿真，對傳感器凸點和位置偏差引起的超聲波流量計流量測量偏差進行了評估。在此基礎上，提出了減小傳感器凸點引起流量測量偏差的修正方法，還推導了由于傳感器位置誤差 i起的流蛩漏蕾偏差的估算方法。
通過對一臺1 37 MWI~J水輪機進行了現場流量實鍘，給出該修正方法用于現場效率實測的一個實倒。
2 超聲流量計的原理
超聲波傳感器和超聲波聲道的布置圖， 從圖上還可觀察到傳感器在流道中的凸點。用超聲流量計可測量沿每一聲道的平均流速， 然后對各聲道的平均流速 加權半均后求出流量， 見式(1)
式中 K——對應預先積分方法的形狀系數
D—— 流道的內徑 ’
一· 第 聲道的 Ⅱ權系數，根據積分方法預先確定— — 糟第 聲道從流道內壁到內瞳的
平均軸向流速工 i～ 沿第壚道趴流道內鼙到由壁問
的距離
Li—— 沿第 聲道發送和接收傳感器表面之間的距離
0 —— 第壚道與流道軸線的相對夾角
— — 超聲波聲道總數下標“ ” 為聲道標號， 范圍為1～ 。
多聲道超聲波流量計:
多聲道超聲波流量計:
(1)中聲道的位置、加議系數 。和形狀系數劂藍根據所采用的通道數 ，和積分方法預先確定。積分方法有高斯一雷根德(Gauss—Legcndrc)法(簡稱G-L法)和高新—雅可比(Gauss—Jacobi)法(簡稱G—J法)兩種。對于四聲道超聲流量計， 上述參數值覓表1， 這些值巳被壤新的IEC標準和ASME標準版本草案所采用。
表1 國斷面超聲波聲道位置和積分系數
超聲流量計如果用于精確凰斷面流道的流量測量，而且每個聲道完全按表1所確定的位置布置，則式(1)可簡化為式(2)，式
(2)中的新加權系數 見表2
表2 簡化形式中圓斷面超聲波聲道
位置和積分系數
3 數字仿真預測超聲流置計的誤差
3．1 數字仿真方法為了估算由于傳感器在流遭中的凸點和安裝偏差引起的瀑差， 可采用數字仿真技術。內壁光滑和粗糙的封閉管道中紊流的流速分布公式見襄3和圖2， 這個公式可用于數字仿真，各符號的定義見表3。在數字仿真中，超聲流量計的誤差定義為0 o和0 之差， 其中0。為對整個斷面上的流速分布進行精確積分的結果，0 為對各聲道平均流速U 。(溈聲道號， =1～ 4)積分的結果 u i通過沿一對發送和接收傳感器之間的聲遭軌跡對流速進行積分求出， 其中包含各種情況下不同程度的傳感器凸
點和安裝偏差的影響。撥式(1)的方法通過
表3 用于教宇仿真的流速分布
麥珥|； case} 條睜
? 軸靛商軸向流速 U。 管道截面走舌}c矗．
Y—— 從竹越內壁掰巾心柏徑[占I距離； D一管道內在
● 津擦贏譴； K e 管道 蟹 繾I芏．
數字仿真管道中的巍速分
3．2 傳感器凸點目1起的偏差圖3為在流道中有傳感器凸點的蓉件下數字仿真的結果。圖中， 。為管道截面軸向流速， 由表3中的等式給出，U 為管道平均流速，通過真實流量0。求出} 比值uo／表明流速的分布形狀，A 為傳感器凸點到流道壁末被測量的徑向距離。在數字仿真中，比懂厶 D的變化范圍為0．0025～O．06 根據圖3的結果， 流量測量主要受Ad／D的影響，A ／D越大，影響越大，而當比值uo／ 增大時， 這種影響將加劇。
沒有對趣聲流量計 感器凸點進行修正的數字仿真結果
3．3 對儔感器凸點引起的偏差的修正方法首先必須知道傳感器凸點與管道內壁問的流速分布， 然后估算由于傳感器凸點而忽略這部分流速分布的影響。為此，假設流道內壁間沿聲道的流速分布可以用1／n方來喪示 即
式中“ (f)—— 第 聲道的軸向流速
U —— 第：聲道的軸向流速
l—— 沿第 聲遭到流道冉壁問的距離
— — 指數分量， 見表4
襄‘ 指散分量指
多聲道超聲波流量計:
指數分量 根據流道中流動的雷諾赦m 來確定，如表4所示 -在現場效率實涮的窩隔瘟用l申，，番諾散的變化范圍通囂曲1 ～ 如 ，所以， 指數分量可取 =10。 ；式(g)為管道內壁矧艏 離譴揩 鏜建分布 (z'的裘達式。正確l韻平埋潛逮盛對j(，)沿第i聲道進行積分求出，具體
然而，第 聲遺測量肭平均流速u 為轉感器凸點之間的平均流速。u ；可通過對式
(3)的流速分布 i(z)沿第i聲道進行積分求出，積分區聞為發送和接收傳感器之間， 具體如下t
式中L i—一沿第 聲道從管道內壁到內盛之問的既離， 見IIVZ△出 —一沿第演道從管道冉壁弼轉盛器凸點之間的距離。見 i
比較式(4)和式(5)可知，如果在流道內壁之間流速沿聲蘸按1／n次方分稚，、正確
的聲道平均流速U 可通過發送和接收傳感器之間測量到的平均流速u 進行估算，具體如下:
這樣，可用正確的平均流速u 代替測量平均流速u? 求出正確的流量0 。通過式
(8)求出的n=10時的p 可得出計算仿真結果(圖4)。由圖可知，采用該修正方法后，在正常的素流范圍內仍殘留約0．2 ～O．7 的
流量偏差， 盡管如此，通過比較圖8和圖4，表明該慘正方法還是能明顯地減少由于傳感器凸點引起的流量偏差。所以， 該慘正方法對于超聲流量計的實際應用具有十分重要的意義該慘正方法已被日本電工委員會標準(3EC)
所采納[3]。
超蘆流量計對傳感器凸點引起的偏差進行修正后的數字仿真結果3．4 由于傳感器安裝誤差引起的流量偏差
為了評估安裝誤差的影響和討論安裝誤差的允許范圍，假定在圖5的條件下進行數字仿真。數字仿真僅針對G—J法并忽略傳感器凸點的影響。假定管道截面：是直徑為D 的真圓形，壘部聲道的位羞與表1所確定的正確位置的誤差均為△ ，A 為負時表示偏向管道中心， △ 為正對表示偏離管道中心， 利用數字仿真來討論下列方法。
方法A：測量聲道軌跡長度L ．和角度0．，
計算每個聲道的平均流速。然后再利用式(1)
計算流量，計算中用到L 和0 。
方法B：通過測量聲道軌跡長度L， 和角崖o{計算每個聲道的平均流速。利用式(2)計算流量，計算中只用到管道內徑測量值D， 而沒用到L 和0 。
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