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多声道超声波流量计
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多声道超声波流量计简介:
水轮机现场效率试验要求对流量进行高精度的测量， 为此曾采用过很多的流量测量方法。近年来，超声流量计在水轮机流量测量中日渐增多，而且已被的IEC和ASME标准c 1，2)所接受。但在实际应用中， 应考虑到超声流量计存在着这样一些问题，传感器在流遭中形成一个凸点和在安装中出现偏差。而这些在上述标准的草案中尚未引起注意。在安装多声道超声波流量计时， 传感器必须安装在流道内以接收或发进超声波脉冲，必然在流道中形成凸点。这样在钡j量时， 从流道内壁到传感器凸点问这段超声波声道外的流速分布被忽略了。予是用超声流量计测量的平均流速总比从管道内壁到内壁问通过全程超声波声道的实际平均流速大。所以，超声流量计的流量测量值大于实际流量值。在现场效率试验中，这种由传感器凸点引起的偏差应当加以考虑。
多声道超声波流量计原理，超声传感器在流道中的位置可利用积分法预先确定。但在现场试验中， 很难保证传感器准确无谈地安装在预定位置上。于是，应当考虑传感器安装误差的影响并给出偏离正确位置的允许范围。针对这些问题， 本文通过数字仿真，对传感器凸点和位置偏差引起的超声波流量计流量测量偏差进行了评估。在此基础上，提出了减小传感器凸点引起流量测量偏差的修正方法，还推导了由于传感器位置误差 i起的流蛩漏蕾偏差的估算方法。
通过对一台1 37 MWI~J水轮机进行了现场流量实铡，给出该修正方法用于现场效率实测的一个实倒。
多声道超声波流量计的原理
超声波传感器和超声波声道的布置图， 从图上还可观察到传感器在流道中的凸点。用超声流量计可测量沿每一声道的平均流速， 然后对各声道的平均流速 加权半均后求出流量， 见式(1)
式中 K——对应预先积分方法的形状系数
D—— 流道的内径 ’
一· 第 声道的 Ⅱ权系数，根据积分方法预先确定— — 糟第 声道从流道内壁到内瞳的
平均轴向流速工 i～ 沿第垆道趴流道内鼙到由壁问
的距离
Li—— 沿第 声道发送和接收传感器表面之间的距离
0 —— 第垆道与流道轴线的相对夹角
— — 超声波声道总数下标“ ” 为声道标号， 范围为1～ 。。
(1)中声道的位置、加议系数 。和形状系数劂蓝根据所采用的通道数 ，和积分方法预先确定。积分方法有高斯一雷根德(Gauss—Legcndrc)法(简称G-L法)和高新—雅可比(Gauss—Jacobi)法(简称G—J法)两种。对于四声道超声流量计， 上述参数值觅表1， 这些值巳被壤新的IEC标准和ASME标准版本草案所采用。
表1 国断面超声波声道位置和积分系数
多声道超声波流量计如果用于精确凰断面流道的流量测量，而且每个声道完全按表1所确定的位置布置，则式(1)可简化为式(2)，式
(2)中的新加权系数 见表2
表2 简化形式中圆断面超声波声道
位置和积分系数
3 数字仿真预测超声流置计的误差
3．1 数字仿真方法为了估算由于传感器在流遭中的凸点和安装偏差引起的瀑差， 可采用数字仿真技术。内壁光滑和粗糙的封闭管道中紊流的流速分布公式见襄3和图2， 这个公式可用于数字仿真，各符号的定义见表3。在数字仿真中，超声流量计的误差定义为0 o和0 之差， 其中0。为对整个断面上的流速分布进行精确积分的结果，0 为对各声道平均流速U 。(沩声道号， =1～ 4)积分的结果 u i通过沿一对发送和接收传感器之间的声遭轨迹对流速进行积分求出， 其中包含各种情况下不同程度的传感器凸
点和安装偏差的影响。拨式(1)的方法通过
表3 用于教宇仿真的流速分布
麦珥|； case} 条睁
轴靛商轴向流速 U。 管道截面走舌}c矗．
Y—— 从竹越内壁掰巾心柏径[占I距离； D一管道内在
● 津擦赢谴； K e 管道 蟹 缱I芏．
数字仿真管道中的巍速分
3．2 传感器凸点目1起的偏差图3为在流道中有传感器凸点的蓉件下数字仿真的结果。图中， 。为管道截面轴向流速， 由表3中的等式给出，U 为管道平均流速，通过真实流量0。求出} 比值uo／表明流速的分布形状，A 为传感器凸点到流道壁末被测量的径向距离。在数字仿真中，比懂厶 D的变化范围为0．0025～O．06 根据图3的结果， 流量测量主要受Ad／D的影响，A ／D越大，影响越大，而当比值uo／ 增大时， 这种影响将加剧。
没有对趣声流量计 感器凸点进行修正的数字仿真结果
3．3 对俦感器凸点引起的偏差的修正方法首先必须知道传感器凸点与管道内壁问的流速分布， 然后估算由于传感器凸点而忽略这部分流速分布的影响。为此，假设流道内壁间沿声道的流速分布可以用1／n方来丧示 即
式中“ (f)—— 第 声道的轴向流速
U —— 第：声道的轴向流速
l—— 沿第 声遭到流道冉壁问的距离
— — 指数分量， 见表4
襄‘ 指散分量指
多声道超声波流量计
指数分量 根据流道中流动的雷诺赦m 来确定，如表4所示 -在现场效率实涮的窝隔瘟用l申，，番诺散的变化范围通嚣曲1 ～ 如 ，所以， 指数分量可取 =10。 ；式(g)为管道内壁矧艏 离谴揩 镗建分布 (z'的裘达式。正确l韵平埋潜逮盛对j(，)沿第i声道进行积分求出，具体
然而，第 声遗测量肭平均流速u 为转感器凸点之间的平均流速。u ；可通过对式
(3)的流速分布 i(z)沿第i声道进行积分求出，积分区闻为发送和接收传感器之间， 具体如下t
式中L i—一沿第 声道从管道内壁到内盛之问的既离， 见IIVZ△出 —一沿第演道从管道冉壁弼转盛器凸点之间的距离。见 i
比较式(4)和式(5)可知，如果在流道内壁之间流速沿声蘸按1／n次方分稚，、正确
的声道平均流速U 可通过发送和接收传感器之间测量到的平均流速u 进行估算，具体如下:
这样，可用正确的平均流速u 代替测量平均流速u? 求出正确的流量0 。通过式
(8)求出的n=10时的p 可得出计算仿真结果(图4)。由图可知，采用该修正方法后，在正常的素流范围内仍残留约0．2 ～O．7 的
流量偏差， 尽管如此，通过比较图8和图4，表明该惨正方法还是能明显地减少由于传感器凸点引起的流量偏差。所以， 该惨正方法对于超声流量计的实际应用具有十分重要的意义该惨正方法已被日本电工委员会标准(3EC)
所采纳[3]。
超芦流量计对传感器凸点引起的偏差进行修正后的数字仿真结果3．4 由于传感器安装误差引起的流量偏差
为了评估安装误差的影响和讨论安装误差的允许范围，假定在图5的条件下进行数字仿真。数字仿真仅针对G—J法并忽略传感器凸点的影响。假定管道截面：是直径为D 的真圆形，垒部声道的位羞与表1所确定的正确位置的误差均为△ ，A 为负时表示偏向管道中心， △ 为正对表示偏离管道中心， 利用数字仿真来讨论下列方法。
方法A：测量声道轨迹长度L ．和角度0．，
计算每个声道的平均流速。然后再利用式(1)
计算流量，计算中用到L 和0 。
方法B：通过测量声道轨迹长度L， 和角崖o{计算每个声道的平均流速。利用式(2)计算流量，计算中只用到管道内径测量值D， 而没用到L 和0 。多声道超声波流量计简介
水轮机现场效率试验要求对流量进行高精度的测量， 为此曾采用过很多的流量测量方法。近年来，超声流量计在水轮机流量测量中日渐增多，而且已被的IEC和ASME标准c 1，2)所接受。但在实际应用中， 应考虑到超声流量计存在着这样一些问题，传感器在流遭中形成一个凸点和在安装中出现偏差。而这些在上述标准的草案中尚未引起注意。在安装多声道超声波流量计时， 传感器必须安装在流道内以接收或发进超声波脉冲，必然在流道中形成凸点。这样在钡j量时， 从流道内壁到传感器凸点问这段超声波声道外的流速分布被忽略了。予是用超声流量计测量的平均流速总比从管道内壁到内壁问通过全程超声波声道的实际平均流速大。所以，超声流量计的流量测量值大于实际流量值。在现场效率试验中，这种由传感器凸点引起的偏差应当加以考虑。
根据超声流量计原理，超声传感器在流道中的位置可利用积分法预先确定。但在现场试验中， 很难保证传感器准确无谈地安装在预定位置上。于是，应当考虑传感器安装误差的影响并给出偏离正确位置的允许范围。针对这些问题， 本文通过数字仿真，对传感器凸点和位置偏差引起的超声波流量计流量测量偏差进行了评估。在此基础上，提出了减小传感器凸点引起流量测量偏差的修正方法，还推导了由于传感器位置误差 i起的流蛩漏蕾偏差的估算方法。
通过对一台1 37 MWI~J水轮机进行了现场流量实铡，给出该修正方法用于现场效率实测的一个实倒。
2 超声流量计的原理
超声波传感器和超声波声道的布置图， 从图上还可观察到传感器在流道中的凸点。用超声流量计可测量沿每一声道的平均流速， 然后对各声道的平均流速 加权半均后求出流量， 见式(1)
式中 K——对应预先积分方法的形状系数
D—— 流道的内径 ’
一· 第 声道的 Ⅱ权系数，根据积分方法预先确定— — 糟第 声道从流道内壁到内瞳的
平均轴向流速工 i～ 沿第垆道趴流道内鼙到由壁问
的距离
Li—— 沿第 声道发送和接收传感器表面之间的距离
0 —— 第垆道与流道轴线的相对夹角
— — 超声波声道总数下标“ ” 为声道标号， 范围为1～ 。
多声道超声波流量计:
多声道超声波流量计:
(1)中声道的位置、加议系数 。和形状系数劂蓝根据所采用的通道数 ，和积分方法预先确定。积分方法有高斯一雷根德(Gauss—Legcndrc)法(简称G-L法)和高新—雅可比(Gauss—Jacobi)法(简称G—J法)两种。对于四声道超声流量计， 上述参数值觅表1， 这些值巳被壤新的IEC标准和ASME标准版本草案所采用。
表1 国断面超声波声道位置和积分系数
超声流量计如果用于精确凰断面流道的流量测量，而且每个声道完全按表1所确定的位置布置，则式(1)可简化为式(2)，式
(2)中的新加权系数 见表2
表2 简化形式中圆断面超声波声道
位置和积分系数
3 数字仿真预测超声流置计的误差
3．1 数字仿真方法为了估算由于传感器在流遭中的凸点和安装偏差引起的瀑差， 可采用数字仿真技术。内壁光滑和粗糙的封闭管道中紊流的流速分布公式见襄3和图2， 这个公式可用于数字仿真，各符号的定义见表3。在数字仿真中，超声流量计的误差定义为0 o和0 之差， 其中0。为对整个断面上的流速分布进行精确积分的结果，0 为对各声道平均流速U 。(沩声道号， =1～ 4)积分的结果 u i通过沿一对发送和接收传感器之间的声遭轨迹对流速进行积分求出， 其中包含各种情况下不同程度的传感器凸
点和安装偏差的影响。拨式(1)的方法通过
表3 用于教宇仿真的流速分布
麦珥|； case} 条睁
? 轴靛商轴向流速 U。 管道截面走舌}c矗．
Y—— 从竹越内壁掰巾心柏径[占I距离； D一管道内在
● 津擦赢谴； K e 管道 蟹 缱I芏．
数字仿真管道中的巍速分
3．2 传感器凸点目1起的偏差图3为在流道中有传感器凸点的蓉件下数字仿真的结果。图中， 。为管道截面轴向流速， 由表3中的等式给出，U 为管道平均流速，通过真实流量0。求出} 比值uo／表明流速的分布形状，A 为传感器凸点到流道壁末被测量的径向距离。在数字仿真中，比懂厶 D的变化范围为0．0025～O．06 根据图3的结果， 流量测量主要受Ad／D的影响，A ／D越大，影响越大，而当比值uo／ 增大时， 这种影响将加剧。
没有对趣声流量计 感器凸点进行修正的数字仿真结果
3．3 对俦感器凸点引起的偏差的修正方法首先必须知道传感器凸点与管道内壁问的流速分布， 然后估算由于传感器凸点而忽略这部分流速分布的影响。为此，假设流道内壁间沿声道的流速分布可以用1／n方来丧示 即
式中“ (f)—— 第 声道的轴向流速
U —— 第：声道的轴向流速
l—— 沿第 声遭到流道冉壁问的距离
— — 指数分量， 见表4
襄‘ 指散分量指
多声道超声波流量计:
指数分量 根据流道中流动的雷诺赦m 来确定，如表4所示 -在现场效率实涮的窝隔瘟用l申，，番诺散的变化范围通嚣曲1 ～ 如 ，所以， 指数分量可取 =10。 ；式(g)为管道内壁矧艏 离谴揩 镗建分布 (z'的裘达式。正确l韵平埋潜逮盛对j(，)沿第i声道进行积分求出，具体
然而，第 声遗测量肭平均流速u 为转感器凸点之间的平均流速。u ；可通过对式
(3)的流速分布 i(z)沿第i声道进行积分求出，积分区闻为发送和接收传感器之间， 具体如下t
式中L i—一沿第 声道从管道内壁到内盛之问的既离， 见IIVZ△出 —一沿第演道从管道冉壁弼转盛器凸点之间的距离。见 i
比较式(4)和式(5)可知，如果在流道内壁之间流速沿声蘸按1／n次方分稚，、正确
的声道平均流速U 可通过发送和接收传感器之间测量到的平均流速u 进行估算，具体如下:
这样，可用正确的平均流速u 代替测量平均流速u? 求出正确的流量0 。通过式
(8)求出的n=10时的p 可得出计算仿真结果(图4)。由图可知，采用该修正方法后，在正常的素流范围内仍残留约0．2 ～O．7 的
流量偏差， 尽管如此，通过比较图8和图4，表明该惨正方法还是能明显地减少由于传感器凸点引起的流量偏差。所以， 该惨正方法对于超声流量计的实际应用具有十分重要的意义该惨正方法已被日本电工委员会标准(3EC)
所采纳[3]。
超芦流量计对传感器凸点引起的偏差进行修正后的数字仿真结果3．4 由于传感器安装误差引起的流量偏差
为了评估安装误差的影响和讨论安装误差的允许范围，假定在图5的条件下进行数字仿真。数字仿真仅针对G—J法并忽略传感器凸点的影响。假定管道截面：是直径为D 的真圆形，垒部声道的位羞与表1所确定的正确位置的误差均为△ ，A 为负时表示偏向管道中心， △ 为正对表示偏离管道中心， 利用数字仿真来讨论下列方法。
方法A：测量声道轨迹长度L ．和角度0．，
计算每个声道的平均流速。然后再利用式(1)
计算流量，计算中用到L 和0 。
方法B：通过测量声道轨迹长度L， 和角崖o{计算每个声道的平均流速。利用式(2)计算流量，计算中只用到管道内径测量值D， 而没用到L 和0 。
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