超聲波流量計(jì)是利用超聲波在流體中的傳播特性進(jìn)行流量測(cè)量的設(shè)備。超聲波流量計(jì)具有測(cè)流精度高，對(duì)流道結(jié)構(gòu)影響小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因而應(yīng)用日益廣泛。近年來(lái)，隨著南水北調(diào)工程等大中型泵站的相繼投入使用，采用漸變等不規(guī)則流道的水電站和泵站也要求高精度的流量測(cè)試。傳統(tǒng)上常采用的鹽溶液法、五孔探針測(cè)流法、流速儀法和壓差法，存在精度差，對(duì)流態(tài)影響大等缺點(diǎn)。而超聲波流量計(jì)雖然具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是其對(duì)流道要求比較高，一般應(yīng)用于圓形、矩形、梯形等較規(guī)則斷面的流道，并且要求傳感器前后有一定長(zhǎng)度的直管段，因而限制了其使用范圍。
淮安第三抽水站位于淮安市楚州區(qū)南郊，京杭大運(yùn)河淮安船閘東側(cè)，裝有32gwn-42型葉輪直徑為3.19m的燈泡貫流式定漿水泵機(jī)組2臺(tái)套，設(shè)計(jì)抽水揚(yáng)程4.2m，設(shè)計(jì)總抽水量66m3/s，總裝機(jī)容量3400kw，是江水北調(diào)的第二級(jí)抽水站之一，也是南水北調(diào)東線工程的重要環(huán)節(jié)之一。在開(kāi)展淮安第三抽水站2號(hào)機(jī)組的能量試驗(yàn)時(shí)，由于其進(jìn)水?dāng)嗝嬗煞阶儓A，后部流道變?yōu)閳A臺(tái)并連接燈泡體的不規(guī)則斷面（見(jiàn)圖1），不滿足美國(guó)ac2cusonic公司生產(chǎn)的model7510型超聲波流量計(jì)測(cè)量的要求。為了能夠更加準(zhǔn)確的測(cè)量流量，減少誤差，因此進(jìn)行淮安第三抽水站2號(hào)機(jī)組進(jìn)水流道的模型試驗(yàn)。通過(guò)模型試驗(yàn)，尋求一種測(cè)量方式，使model7510型超聲波流量計(jì)在該型流道中能夠輸出準(zhǔn)確的流量值，同時(shí)也為其它復(fù)雜流道的泵站的流量測(cè)量提供了一個(gè)新的方法和借鑒。
圖1 淮安三站1剖面示意
2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
2.1 通過(guò)cfd對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮?jiǎn)化
由于淮安三站2號(hào)機(jī)組進(jìn)水流道形狀復(fù)雜，且含有燈泡體，如果*由試驗(yàn)來(lái)模擬，將會(huì)使試驗(yàn)變得異常復(fù)雜，因此，首先使用cfd軟件flu2ent分別對(duì)有燈泡體和無(wú)燈泡體時(shí)的流道進(jìn)行數(shù)模計(jì)算，對(duì)兩種情況下的流態(tài)進(jìn)行模擬。得到的無(wú)燈泡體和有燈泡體時(shí)的速度云圖如圖2所示。
由圖2可以看到，燈泡體對(duì)其附近的流態(tài)影響較大，而對(duì)遠(yuǎn)離它的流態(tài)影響非常小。根據(jù)fluent輸出的結(jié)果分析，圖中2（b）第2條曲線左邊的流道，在有無(wú)燈泡體時(shí)流態(tài)基本相同。在此線以左安裝傳感器，在有燈泡體時(shí)和無(wú)燈泡體時(shí)將得到基本相同的結(jié)果。因此，可以對(duì)流道的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將傳感器安裝在上述分界線左側(cè)，只對(duì)燈泡體前面的流道進(jìn)行模擬，其結(jié)果將會(huì)和有燈泡體和轉(zhuǎn)輪時(shí)相同。
2.2 試驗(yàn)方案
（a）無(wú)燈泡體
（b）有燈泡體
圖2 無(wú)燈泡體和有燈泡體時(shí)的速度示意
根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際情況，考慮傳感器的測(cè)量范圍，依據(jù)力學(xué)相似準(zhǔn)則，確定了線性比例尺δ為10，速度比例尺δv為4.5。制作流道模型。由于進(jìn)水流道長(zhǎng)度短，且斷面不規(guī)則，流態(tài)復(fù)雜，傳統(tǒng)的單層或者多層布置方式難以應(yīng)用，因此采用新的布置方式，采用每?jī)蓷l聲路交叉布置成一個(gè)聲路平面，4個(gè)聲路平面分別與水平面成±18°和±54°的方式。各聲路均過(guò)流道中心線的同一點(diǎn)。各聲路與流道中軸線之間的夾角為49°。超聲波傳感器的具體安裝位置及幾何尺寸如圖3所示。
圖3 測(cè)量點(diǎn)布置位置與尺寸
按照上述安裝方法安裝流速傳感器。分別組成1a-1b，2a-2b，3a-3b，4a-4b，-5b，6a-6b，7a-7b，8a-8b共8條聲路。其中1a-1b與8a-8b，2a-2b與7a-7b，3a-3b與6a-6b，4a-4b與-5b為交叉布置，共4對(duì)交叉聲路。采用此種布置方式，實(shí)際上是傳統(tǒng)的單層聲路測(cè)量方式的改進(jìn)[8]，即將4個(gè)單層聲路以不同角度布置在管路中，通過(guò)取各聲路所測(cè)數(shù)據(jù)平均值的方式，減小流態(tài)不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差。為減小誤差，在超聲波傳感器安裝完畢后對(duì)各傳感器之間的距離和角度重新進(jìn)行測(cè)量，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。確認(rèn)傳感器的位置以保證試驗(yàn)時(shí)其位置不改變。檢查整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)氣密性，給試驗(yàn)臺(tái)充水，并排出其中的殘留空氣。測(cè)量水溫，輸入數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。在調(diào)試各傳感器正常工作后，開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。
（a） 正視圖
（b） 俯視圖
圖4 試驗(yàn)臺(tái)
依照比例系數(shù)從模型的zui大流量和zui小流量之間分別取8種大小不同的流量（其中包含設(shè)計(jì)流量）進(jìn)行試驗(yàn)。每次調(diào)整流量后等待數(shù)分鐘，待到試驗(yàn)臺(tái)電磁流量計(jì)數(shù)值穩(wěn)定后，每隔30s從電磁流量計(jì)中讀取流量并做記錄，與此同時(shí)超聲波流速傳感器會(huì)每隔1s自動(dòng)采集所在聲道的流速，每個(gè)流量下采集90s。
3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
通過(guò)觀察傳感器自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)，可以看到每個(gè)聲路在不同時(shí)間內(nèi)測(cè)得的流速差距極大。取90s內(nèi)的各聲路流速的平均值，得到穩(wěn)態(tài)時(shí)的平均速度。為了消除橫流誤差對(duì)測(cè)量的影響，對(duì)每對(duì)交叉聲路測(cè)得的流速取平均值[7]。同時(shí)為了減小誤差，對(duì)4對(duì)交叉聲路所測(cè)的平均流速再取平均值。也就是說(shuō)在計(jì)算時(shí)不同的聲路取同一權(quán)重，為0.125，即取各聲路的平均流速為斷面平均流速。
然后將從電磁流量計(jì)中讀出的流量取平均值，作為準(zhǔn)確的流量值。每次試驗(yàn)中的流量與流速之間的比值，即為平均流速所在斷面的面積，也即流量與流速之間的比例關(guān)系。各流量下的平均流速，平均流量以及計(jì)算所得的平均斷面如表1所示。
將不同流量下的各試驗(yàn)所得平均斷面取平均值，為0.137519m2，此值即為此種超聲波傳感器布置方式下的平均斷面。也即流量與平均流速間的比例關(guān)系。
表1 各流量下的平均斷面面積
根據(jù)試驗(yàn)裝置的尺寸，平均斷面面積與聲路交點(diǎn)所在斷面的面積分別為0.137519m2和0.13828m2，考慮試驗(yàn)可能帶來(lái)的誤差，以及為了試驗(yàn)測(cè)量方便，選取聲路交點(diǎn)斷面為計(jì)算斷面。斷面半徑為0.2098m，面積為0.13828m2。即，該種安裝方式下流量計(jì)算式為：
式中
a———計(jì)算斷面面積，m2，取a=0.13828m2
v———流速，m2/s
以此斷面分別與各平均流速相乘得到的流量以及與實(shí)測(cè)流量間的誤差如表2所示。
表2 計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比
由表2可見(jiàn)，在常用各流量下，除在極小的流量下，試驗(yàn)誤差全部在2%以內(nèi)，且在額定流量附近誤差較小，為1.17%，滿足精度要求。
4 誤差分析
在試驗(yàn)中，誤差主要分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。
試驗(yàn)中的隨機(jī)誤差主要由流道條件造成。由于該泵站進(jìn)水流道極其復(fù)雜，且前后缺少足夠長(zhǎng)的直管段（裝置前大于等于10d，裝置后大于等于5d，其中d為直徑），造成模擬流道內(nèi)流態(tài)紊亂，測(cè)量數(shù)據(jù)有一定的波動(dòng)，給試驗(yàn)帶來(lái)誤差。
系統(tǒng)誤差是由某種固定的原因造成的，使測(cè)定結(jié)果系統(tǒng)偏高或偏低。當(dāng)重復(fù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，它會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。系統(tǒng)誤差的大小、正負(fù)是可以測(cè)定的，至少?gòu)睦碚撋蟻?lái)說(shuō)是可以測(cè)定的，所以又稱可測(cè)誤差。系統(tǒng)誤差的zui重要的特性，是誤差具有“單向性”。本試驗(yàn)系統(tǒng)誤差主要有以下幾種：
（1）聲路長(zhǎng)度造成的誤差。從式中看到，流速與聲路長(zhǎng)度成正比，由于試驗(yàn)裝置內(nèi)的幾何尺寸由鋼尺測(cè)量，由此引起的誤差可保持在0.2%以內(nèi)。
（2）聲路角造成的誤差。流速與聲路角的余弦成反比。在交叉聲路安裝方式中，該誤差是可忽略的。
（3）橫流誤差。當(dāng)流線方向與軸線不平行時(shí)，流速會(huì)產(chǎn)生分量，對(duì)超聲波測(cè)速器帶來(lái)測(cè)量誤差。采用交叉聲路布置，可以有效減小這種誤差。
5 結(jié)論
（1）fluent數(shù)值模擬計(jì)算表明，不考慮燈泡體和轉(zhuǎn)輪，只對(duì)燈泡體前面的進(jìn)水流道進(jìn)行模擬，與考慮有燈泡體和轉(zhuǎn)輪時(shí)的結(jié)果基本相同。通過(guò)數(shù)模計(jì)算，確定了超聲波傳感器的安裝位置；
（2）物理模型試驗(yàn)表明，在此種傳感器安裝方式下，各聲路的權(quán)重均為0.125，測(cè)量時(shí)取各聲路測(cè)得流速的平均值。以此權(quán)重計(jì)算得到在模型試驗(yàn)中各傳感器所測(cè)得的平均流速與實(shí)際流量間的比例關(guān)系，為0.137519；物理模型流量計(jì)算斷面的半徑為0.209m的斷面，即聲路與流道交點(diǎn)所在斷面。根據(jù)幾何相似關(guān)系，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中取斷面半徑為2.09m的斷面；
（3）除極小流量工況外，其余工況下實(shí)測(cè)流量誤差均在2%以內(nèi)，在額定工況附近誤差為1.17%，滿足實(shí)際需求，說(shuō)明該測(cè)量方式可行；
（4）提出并驗(yàn)證了超聲波流量計(jì)在不規(guī)則流道中新的應(yīng)用方式，同時(shí)也為其它復(fù)雜流道中的應(yīng)用提供了新的方法和借鑒。