詳細概述：
多聲道超聲波流量計簡介:
水輪機現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)c 1，2)所接受。但在實際應(yīng)用中， 應(yīng)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(xiàn)偏差。而這些在上述標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)以接收或發(fā)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(nèi)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(nèi)壁到內(nèi)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(xiàn)場效率試驗中，這種由傳感器凸點引起的偏差應(yīng)當(dāng)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(yù)先確定。但在現(xiàn)場試驗中， 很難保證傳感器準(zhǔn)確無談地安裝在預(yù)定位置上。于是，應(yīng)當(dāng)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(shù)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(chǔ)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(dǎo)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(xiàn)場流量實鍘，給出該修正方法用于現(xiàn)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(quán)半均后求出流量， 見式(1)
式中 K——對應(yīng)預(yù)先積分方法的形狀系數(shù)
D—— 流道的內(nèi)徑 ’
一· 第 聲道的 Ⅱ權(quán)系數(shù)，根據(jù)積分方法預(yù)先確定— — 糟第 聲道從流道內(nèi)壁到內(nèi)瞳的
平均軸向流速工 i～ 沿第壚道趴流道內(nèi)鼙到由壁問
的距離
Li—— 沿第 聲道發(fā)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(shù)下標(biāo)“ ” 為聲道標(biāo)號， 范圍為1～ 。。
(1)中聲道的位置、加議系數(shù) 。和形狀系數(shù)劂藍根據(jù)所采用的通道數(shù) ，和積分方法預(yù)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(shù)值覓表1， 這些值巳被壤新的IEC標(biāo)準(zhǔn)和ASME標(biāo)準(zhǔn)版本草案所采用。
表1 國斷面超聲波聲道位置和積分系數(shù)
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*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(quán)系數(shù) 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(shù)
3 數(shù)字仿真預(yù)測超聲流置計的誤差
3．1 數(shù)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(shù)字仿真技術(shù)。內(nèi)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(shù)字仿真，各符號的定義見表3。在數(shù)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(jié)果，0 為對各聲道平均流速U 。(溈聲道號， =1～ 4)積分的結(jié)果 u i通過沿一對發(fā)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(nèi)壁掰巾心柏徑[占I距離； D一管道內(nèi)在
● 津擦贏譴； K e 管道 蟹 繾I芏．
數(shù)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(shù)字仿真的結(jié)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(shù)字仿真中，比懂厶 D的變化范圍為0．0025～O．06 根據(jù)圖3的結(jié)果， 流量測量主要受Ad／D的影響，A ／D越大，影響越大，而當(dāng)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(shù)字仿真結(jié)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(nèi)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(shè)流道內(nèi)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(shù)分量， 見表4
襄‘ 指散分量指
多聲道超聲波流量計
指數(shù)分量 根據(jù)流道中流動的雷諾赦m 來確定，如表4所示 -在現(xiàn)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(shù)分量可取 =10。 ；式(g)為管道內(nèi)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(zhuǎn)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(qū)聞為發(fā)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(nèi)壁到內(nèi)盛之問的既離， 見IIVZ△出 —一沿第演道從管道冉壁弼轉(zhuǎn)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(nèi)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(fā)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(jié)果(圖4)。由圖可知，采用該修正方法后，在正常的素流范圍內(nèi)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)(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(shù)字仿真結(jié)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(shù)字仿真。數(shù)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(shù)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(nèi)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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)c 1，2)所接受。但在實際應(yīng)用中， 應(yīng)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(xiàn)偏差。而這些在上述標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)以接收或發(fā)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(nèi)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(nèi)壁到內(nèi)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(xiàn)場效率試驗中，這種由傳感器凸點引起的偏差應(yīng)當(dāng)加以考慮。
根據(jù)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(yù)先確定。但在現(xiàn)場試驗中， 很難保證傳感器準(zhǔn)確無談地安裝在預(yù)定位置上。于是，應(yīng)當(dāng)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(shù)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(chǔ)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(dǎo)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(xiàn)場流量實鍘，給出該修正方法用于現(xiàn)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(quán)半均后求出流量， 見式(1)
式中 K——對應(yīng)預(yù)先積分方法的形狀系數(shù)
D—— 流道的內(nèi)徑 ’
一· 第 聲道的 Ⅱ權(quán)系數(shù)，根據(jù)積分方法預(yù)先確定— — 糟第 聲道從流道內(nèi)壁到內(nèi)瞳的
平均軸向流速工 i～ 沿第壚道趴流道內(nèi)鼙到由壁問
的距離
Li—— 沿第 聲道發(fā)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(shù)下標(biāo)“ ” 為聲道標(biāo)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(shù) 。和形狀系數(shù)劂藍根據(jù)所采用的通道數(shù) ，和積分方法預(yù)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(shù)值覓表1， 這些值巳被壤新的IEC標(biāo)準(zhǔn)和ASME標(biāo)準(zhǔn)版本草案所采用。
表1 國斷面超聲波聲道位置和積分系數(shù)
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*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(quán)系數(shù) 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(shù)
3 數(shù)字仿真預(yù)測超聲流置計的誤差
3．1 數(shù)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(shù)字仿真技術(shù)。內(nèi)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(shù)字仿真，各符號的定義見表3。在數(shù)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(jié)果，0 為對各聲道平均流速U 。(溈聲道號， =1～ 4)積分的結(jié)果 u i通過沿一對發(fā)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(nèi)壁掰巾心柏徑[占I距離； D一管道內(nèi)在
● 津擦贏譴； K e 管道 蟹 繾I芏．
數(shù)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(shù)字仿真的結(jié)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(shù)字仿真中，比懂厶 D的變化范圍為0．0025～O．06 根據(jù)圖3的結(jié)果， 流量測量主要受Ad／D的影響，A ／D越大，影響越大，而當(dāng)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(shù)字仿真結(jié)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(nèi)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(shè)流道內(nèi)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(shù)分量， 見表4
襄‘ 指散分量指
多聲道超聲波流量計:
指數(shù)分量 根據(jù)流道中流動的雷諾赦m 來確定，如表4所示 -在現(xiàn)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(shù)分量可取 =10。 ；式(g)為管道內(nèi)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(zhuǎn)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(qū)聞為發(fā)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(nèi)壁到內(nèi)盛之問的既離， 見IIVZ△出 —一沿第演道從管道冉壁弼轉(zhuǎn)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(nèi)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(fā)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(jié)果(圖4)。由圖可知，采用該修正方法后，在正常的素流范圍內(nèi)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)(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(shù)字仿真結(jié)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(shù)字仿真。數(shù)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(shù)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(nèi)徑測量值D， 而沒用到L 和0 。
標(biāo)簽： 超聲波流量計
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