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1 前言
多聲道流量計(jì)測流精度高,一般來說一臺(tái)四聲道流量計(jì)在充滿水的管道中其測流精度可達(dá)±0.5%,在明渠中其測流精度可控制在±1%~±1.5%之間。多聲道流量計(jì)的核心部件是一臺(tái)微處理器(微型計(jì)算機(jī)),因此它能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線自動(dòng)連續(xù)測量,能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。近年來生產(chǎn)的多聲道流量計(jì),由于采用了大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路和高可靠性電子元器件,加上換能器的質(zhì)量保證已達(dá)到了的高度,因此使它一般具有10年以上的可用壽命。
在實(shí)際使用中, 四聲道流量計(jì)已能滿足大多數(shù)用戶對(duì)測流精度的要求,而且投資適中。因此,筆者所涉及的內(nèi)容以四聲道流量計(jì)為主。
2 多聲道流量計(jì)的測流原理
先,分析一下單聲道即一對(duì)換能器流量計(jì)的情況。其測流原理,如圖1所示。
設(shè)換能器、與水流方向的夾角為θ,水的流速為且不考慮橫流的影響,聲道長度為L,在靜水中的聲速為C。當(dāng)p1發(fā)射P2接收時(shí),的順流傳播時(shí)間為:
(1)
當(dāng)發(fā)射P2發(fā)射P1接收時(shí),的逆流傳播時(shí)間為:
(2)
逆順向傳播的時(shí)間差為:
(3)
因?yàn)镃OSθ≤1而且V2<C2,所以
(4)
受水溫變化的影響,聲速C在淡水中會(huì)在1400~1500m/s之間發(fā)生變化,為了消除溫度變化的影響,將C用L和T1、T2代換。
因?yàn)?/span>
這里
由式(4)可得:
(5)
由(5)式計(jì)算出來的流速是傳播路徑上的線平均流速。對(duì)于測流斷面很小而且流態(tài)很好的場合,如對(duì)于有很長直管段的小口徑管道,當(dāng)流速在一定范圍內(nèi)時(shí),可以求出線平均流速和面平均流速之間的相關(guān)系數(shù),進(jìn)而求得流量。但對(duì)于測流斷面較大、流量也比較大而且流態(tài)分布比較復(fù)雜的情況而言,很難找出線平均流速和面平均流速之間的相關(guān)系數(shù)。在這種情況下,就必須用多聲道流量計(jì)進(jìn)行測流。
圖2為在充滿液體的圓形管道中采用平行四聲道流量計(jì)的測流原理示意圖。
對(duì)于圖中的每一條聲道,由式(5)求出線平均流速,再用加權(quán)積分計(jì)算出面平均流速和流量,即:
(6)
(7)
式中:為面平均流速;Ki 為第i 聲道加權(quán)積分系數(shù)(i=1,2,3,4);Vi 為第i 聲道線平均流速(i=1,2,3,4);S為管道橫截面面積;Q為測流斷面流量。
3 誤差源分析和誤差控制
將式(5)中的用T1、T2進(jìn)行代換并近似處理后,可得單聲道線流速公式:
(8)
由式(7)和式(8)可以看出,造成流量測量誤差的因素主要有如下幾個(gè)方面:
3.1 安裝測量誤差
(1)聲道長度L測不準(zhǔn)引起的誤差:因?yàn)榫€流速V與聲道長度L成線性關(guān)系,所以L的任何誤差都將給V帶來相同的誤差。
(2)聲道角θ測不準(zhǔn)引起的誤差:因?yàn)榕cCOSθ成反比,所以θ的測量誤差也會(huì)引起線流速的誤差。如當(dāng)θ=45°時(shí),θ角有1°的誤差將會(huì)造成1.7%的線流速誤差。
(3)測流截面積誤差:截面積的大小很少能測得十分。如,對(duì)于大截面的圓管來說,在大多數(shù)情況下,截面都不很圓。由于流量誤差與截面積誤差成線形關(guān)系,所以S 的任何誤差都將給流量Q帶來與之成比例的誤差。如,0.1%的半徑測量誤差將國產(chǎn)生0.2%的流量誤差。
3.2 順逆向傳播時(shí)間T1、T2測不準(zhǔn)引起的誤差
流量誤差與T1、T2的誤差成線性關(guān)系。造成T1、T2測量不準(zhǔn)的主要原因有:
(1)由計(jì)數(shù)器中晶振頻率引起的時(shí)基誤差。
(2)與流動(dòng)液體無關(guān)的傳播延時(shí)。包括信號(hào)電纜、邏輯電路與檢波器延時(shí);與換能器窗有關(guān)的聲波延時(shí)以及當(dāng)換能器與流場分離(如,當(dāng)換能器被安裝在凹進(jìn)過流管道內(nèi)壁)時(shí),聲波在靜止液體中的傳播延時(shí)。
上述時(shí)間誤差只能使增加而并不改變△T 的值,顯然會(huì)造成線流速V和流量Q的誤差。
3.3 橫流誤差
當(dāng)流線方向與測量斷面軸線不平行時(shí),類似于聲路角的測量誤差將表現(xiàn)在流速中。這一效應(yīng)稱為橫流誤差,通常是由上游有彎曲流道、流道形狀及大小的變化或者障礙物離測量斷面太近引起的。
3.4 聲信號(hào)強(qiáng)度變化引起的誤差
沿任一聲道傳播的信號(hào)除正常傳播損失外,還會(huì)由于液體中夾帶汽泡、泥沙,或者由于換能器表面磨損、換能器表面附著水生物,或者掛上雜物等而國產(chǎn)生衰減和失真。元器件的性能退化也會(huì)國產(chǎn)生類似的影響。當(dāng)聲信號(hào)強(qiáng)度過弱或嚴(yán)重失真時(shí),如果接收機(jī)不能保證正確地識(shí)別每一個(gè)輸入脈沖的同一點(diǎn)(如脈沖的個(gè)前沿),那么對(duì)流量計(jì)的精度將國產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。
3.5 積分誤差
積分誤差被定義為通過對(duì)實(shí)際流速分布的準(zhǔn)確積分而獲得的流量與流量計(jì)測得的離散流速數(shù)值積分而獲得的流量之差。流速分布與雷諾數(shù)和管道粗糙度有關(guān)。
3.6 溫度和壓力變化引起的誤差
溫度和壓力的變化會(huì)引起3種截然不同的潛在性誤差。先是溫度和壓力對(duì)聲速的影響;二是溫度和壓力的變化會(huì)引起管道尺寸的變化:三是溫度的變化會(huì)引起流速分布的變化。
3.7 脈動(dòng)流引起的誤差
3.8 其他誤差
如,量化誤差等。
對(duì)于上述8種誤差源,只要在流量計(jì)的設(shè)計(jì)制造及現(xiàn)場安裝中采取預(yù)防措施,就能很好地予以控制,使流量計(jì)的總誤差符合實(shí)際測流的要求具體措施如下:
(1)在流量計(jì)的安裝過程中,采用安裝測量工具或使用高精度的經(jīng)緯儀、鋼尺對(duì)每一對(duì)換能器的聲道長度進(jìn)行多次測量取平均值作為準(zhǔn)確值,這樣可使聲道長度誤差保持在0.1%以下。采用高精度激光經(jīng)緯儀對(duì)換能器定位,可使聲道角的測量誤差小于0.03°。在測流段的多個(gè)相鄰斷面上多次測量管道的截面積并用其平均值作為準(zhǔn)確值,可基本上保證流量誤差小于0.2%。在有條件的地方,例如對(duì)于直管段很長的鋼管,當(dāng)其半徑不很大而且具備施工條件時(shí),可在鋼管上安裝“測量管”,測量管的內(nèi)徑與被測管道的內(nèi)徑*相同。由于測量管是經(jīng)精密機(jī)械加工而成而且換能器的安裝也是在測量管上預(yù)先進(jìn)行的,這樣就避免了測流現(xiàn)場安裝誤差可能會(huì)較大的情況發(fā)生,其代價(jià)是增加了工程投資。
(2)為了保證聲波逆順向傳播時(shí)間測量的準(zhǔn)確性,多聲道流量計(jì)在設(shè)計(jì)制造時(shí),采取了以下措施:① 計(jì)數(shù)器電路中采用80MHz以上的高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器,時(shí)基誤差控制在±12.5 ns以下。② 在實(shí)驗(yàn)室中,準(zhǔn)確測量信號(hào)電纜、邏輯電路和檢波器等儀器硬件的延時(shí)并在實(shí)際安裝現(xiàn)場予以合理的測算,然后從總傳播時(shí)間中扣除。③從流量計(jì)面板上輸入有效聲道長度系數(shù),對(duì)存在靜止液體的聲道進(jìn)行修正。
(3)對(duì)于橫流誤差,可以采取兩種方法予以控制:① 將聲道定位在盡可能遠(yuǎn)離測量流道的彎曲部。當(dāng)這一條件不具備時(shí),應(yīng)將聲道定位在與彎曲部的平面垂直的位置,以盡量減少橫流誤差。② 另一種可選擇的辦法是在與原聲道相同的高程上增加同等數(shù)量的聲道,但安裝的角度相反,如圖3所示。
假設(shè):兩個(gè)聲道長度都等于L,原聲道角=θ=Ф=45°,實(shí)際流速方向角=θ'=43°、Ф'=47°,實(shí)際流速=V,測得:
這里K = 2VL/C2
正確值應(yīng)為:ΔT = KCOSθ
∴相對(duì)誤差
若設(shè)置第二個(gè)交叉聲道,則第二個(gè)測量值為ΔT =ΔT'=KCOSФ'
∴相對(duì)誤差
平均相對(duì)誤差為
E=(E1+E2)/2 ≈-0.0012
可見,在采用交叉聲道測流時(shí),橫流誤差可被恰當(dāng)?shù)氐窒?/span>
(4)對(duì)于由流量計(jì)本身電子元器件老化而引起的聲信號(hào)強(qiáng)度衰減現(xiàn)象,由流量計(jì)內(nèi)部的聲信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測電路和自動(dòng)增益控制電路(AGC)予以解決。對(duì)于外部因素(換能器掛上雜物等)造成的衰減和失真除了由信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測電路負(fù)責(zé)剔除不可靠信號(hào)外,在有條件的地方,可以通過清除換能器表面雜物等方法予以解決。
(5)積分誤差是很難*消除的,但是由于多聲道流量計(jì)所獲得的流速分布的形狀是在多點(diǎn)上連續(xù)采樣的結(jié)果,這就使流量積分的精度很高,而且多聲道流量計(jì)的積分公式經(jīng)過了嚴(yán)格的理論驗(yàn)證和實(shí)際測流檢定,其積分誤差可控制在小于0.1%。
(6)對(duì)于由溫度和壓力變化而造成的誤差,其解決方法有3種:① 在線流速公式中,用順逆向傳播時(shí)間T1、T2 代替靜水中的聲速C,消除了溫度變化造成的線流速測量誤差。② 采用內(nèi)敷式(濕式)換能器,聲信號(hào)不經(jīng)過中間介質(zhì)而直接射入流體中,消除了介質(zhì)中聲速變化造成的誤差。③ 溫度和壓力對(duì)管道尺寸的影響和對(duì)流速分布造成的影響是很微小的,在實(shí)際中可以忽略。
(7)對(duì)于脈動(dòng)流的影響,可通過流量計(jì)的智能化予以解決。由于多聲道流量計(jì)采用了微處理器(微型計(jì)算機(jī)),并且整套裝置沒有機(jī)械慣性,所以可快速采樣,用很短時(shí)間內(nèi)多次采樣的平均值計(jì)算出來的流量可以消除脈動(dòng)流的影響。
(8)其他誤差可通過流量計(jì)的設(shè)計(jì)安裝以及軟件來予以修正和補(bǔ)償。為了保證四聲道流量計(jì)在有壓管道上達(dá)到±0.5%的精度,要求被測管道測流斷面的上游少應(yīng)有10倍直徑的直管段、下游必須有2倍直徑以上的直管段,否則就應(yīng)考慮采用交叉8聲道的辦法。
事實(shí)證明,四聲道流量計(jì)的誤差控制方法*可以使其達(dá)到規(guī)定的精度。如,1996年天津市水利局從美ORE公司進(jìn)口的7500型四聲道流量計(jì),在天津市計(jì)量技術(shù)研究所的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(準(zhǔn)確度±0.2%)DN1000mm管道上采用容積法檢測,檢定其基本誤差為±0.43%.并頒發(fā)了具有法定計(jì)量效力的檢定證書(熱流字第961115號(hào))。
4 四聲道流量計(jì)在引水工程中的應(yīng)用
近幾年來,多聲道流量計(jì)在引水工程上的應(yīng)用越來越普遍。如,引黃濟(jì)青工程、京密引水工程和引灤入津工程的水量計(jì)量都使用了四聲道流量計(jì)。現(xiàn)以UF-911A型四聲道流量計(jì)為例,介紹其在引灤入津工程暗渠中的使用情況。
UF-911A型四聲道流量計(jì)由南京南瑞自動(dòng)控制有限公司生產(chǎn),其主要技術(shù)參數(shù)如下:
4.1 外接電源
交流電:220V±10%,50Hz
4.2 被測水流條件
水溫:0~50℃
水中不溶物含量:≤2%(體積比)
換能器限工作水壓:≤5MPa(500m水壓)
明渠換能器限工作水壓:≤2MPa(200m水壓)
4.3 被測管道條件
管道直徑:0.5~15m
渠道寬度:1~100m
管壁材料:不限
4.4 測量誤差
有壓圓管或方涵:±0.5%(4或8聲道)
±1.5%(2聲道)
無壓管道或明渠:±1.5% ~±2%(4或8聲道)
±2% ~±5%(2聲道)
4.5 輸出方式
彩色液晶顯示(color_TFT)
漢字打印機(jī)輸出口
RS-232(485)串行通訊口
4~20mA模擬量輸出口(可選)
4.6 主機(jī)和擴(kuò)展箱工作環(huán)境
環(huán)境溫度:-10~40℃
空氣相對(duì)濕度:≤90%(不凝露)
圖4和圖5為UF-911A型流量計(jì)構(gòu)成示意圖,它由主機(jī)箱和裝于被測流道上的換能器構(gòu)成。換能器和主機(jī)之間用同軸射頻電纜來傳遞聲信號(hào)。一臺(tái)UF-911A流量計(jì)配置不同數(shù)量和類型的換能器可測量一條或同時(shí)測量多條管道、渠道。
流量計(jì)的主機(jī)箱內(nèi)裝有微型計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)和發(fā)射、接收系統(tǒng)。微機(jī)系統(tǒng)的主要功能有:進(jìn)行上電自檢,控制看門狗電路,進(jìn)行周期性的系統(tǒng)檢驗(yàn);管理面板上的顯示器和小鍵盤;提供存儲(chǔ)器單元的掉電保護(hù);控制所有換能器的工作;計(jì)算流量及累積流量;對(duì)流速和流量進(jìn)行可靠性校驗(yàn);內(nèi)插由于信號(hào)丟失等原因而丟掉的數(shù)據(jù);響應(yīng)所有的系統(tǒng)輸入,驅(qū)動(dòng)所有的系統(tǒng)輸出及報(bào)警;控制系統(tǒng)的診斷。
發(fā)射、接收系統(tǒng)的主要功能有:控制換能器發(fā)射聲波信號(hào);檢測并處理來自接收換能器的信號(hào)并識(shí)別其個(gè)負(fù)脈沖;調(diào)節(jié)每個(gè)聲道每個(gè)方向的自動(dòng)增益控制(AGC)設(shè)定;檢驗(yàn)每次測量中信號(hào)的完整性;更新每次測量中的狀態(tài)信息;計(jì)算一個(gè)或一組聲道的聲信號(hào)傳播時(shí)間,或者由微機(jī)控制管理系統(tǒng)將若干個(gè)連續(xù)的測量計(jì)算值進(jìn)行平均;向微機(jī)控制管理系統(tǒng)回送每次測量的傳播時(shí)間和狀態(tài);進(jìn)行周期的閉環(huán)自檢。
UF-911A型流量計(jì)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),可根據(jù)使用要求靈活組配。除了基本流量測量和調(diào)試軟件外,為了提高流量計(jì)的測量精度和可靠性,還配備了一些特殊功能軟件,主要有:聲波信號(hào)質(zhì)量甄別和處理軟件、自檢和在線診斷軟件、軟件濾波、與看門狗相適應(yīng)的自恢復(fù)程序等。
UF-9l1A型流量計(jì)的16對(duì)換能器裝在入津暗渠的雙孔3.35m×3.35m鋼筋混凝土方涵中,安裝測流斷面位置按照天津市水利勘測設(shè)計(jì)院SJ-04和SJ-05圖紙的要求進(jìn)行,45°內(nèi)敷式換能器的安裝按照南京南瑞自動(dòng)控制有限公司《內(nèi)敷式換能器安裝操作手冊(cè)》的要求進(jìn)行,對(duì)誤差源進(jìn)行了有效控制,從而保證了流量計(jì)的出廠精度。
5 結(jié)語
時(shí)差法多聲道流量計(jì)由于較好地解決了實(shí)際流態(tài)分布、信號(hào)處理和測流現(xiàn)場安裝等技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了大流量的穩(wěn)定準(zhǔn)確測量,因而是大型引供水工程水量計(jì)量和水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的理想流量監(jiān)測儀器,得到了越來越廣泛的使用。