大口徑超聲流量計(jì)聲速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)改進(jìn)*

孟　濤　李文學(xué)　張　亮　胡鶴鳴　曹　鵬,3　徐春榮

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013；2.中國長江三峽集團(tuán)公司機(jī)電工程局，成都 610023；3.河北大學(xué)，保定 071002；4.南京申瑞電氣系統(tǒng)控制有限公司，南京 210000)

0　引言

在大口徑超聲流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)中，一般是通過對(duì)流量計(jì)聲速測(cè)量準(zhǔn)確性的核查檢驗(yàn)流量計(jì)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。按照J(rèn)JF 1358—2012《非實(shí)流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》[1]要求，各聲道的聲速測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)聲速偏差Ec,i一般應(yīng)小于0.2%，計(jì)算方法如式(1)所示。

Ec,i=|Cm,i-Cs|/Cs×100%

(1)

式中：i=1,2……n；Cm,i為第i聲道聲速測(cè)量值；Cs為標(biāo)準(zhǔn)聲速。

一般在現(xiàn)場(chǎng)條件下，標(biāo)準(zhǔn)聲速的獲取通常采用參考文獻(xiàn)[2]中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到。該公式中，聲速Cs是水溫Tw和水壓pw的函數(shù)：Cs=f(Ts,pw)。在常溫范圍內(nèi)，壓力對(duì)聲速的影響量為每升高1Pa聲速會(huì)降低1.56×10-6m/s[3]，對(duì)于三峽電站現(xiàn)場(chǎng)，水壓主要是來自于水頭的靜壓力，換算為水頭對(duì)聲速的影響量約為：每升高1m水頭聲速降低1.53×10-2m/s，而在現(xiàn)場(chǎng)獲取的靜水頭數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確到10m以內(nèi)，因此由于水壓測(cè)量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)聲速計(jì)算的影響小于0.01%，可以忽略；同樣由公式計(jì)算可知，水溫每上升1℃聲速提高0.2%，水溫測(cè)量的準(zhǔn)確性是現(xiàn)場(chǎng)聲速校準(zhǔn)的關(guān)鍵因素。

在對(duì)三峽右岸3臺(tái)機(jī)組超聲流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，流量計(jì)處的水溫測(cè)量是比較困難的。流量計(jì)安裝在水輪機(jī)進(jìn)水流道，由于該位置沒有安裝測(cè)溫儀表，若想直接獲取水溫參數(shù)只能從水輪機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中調(diào)取，如水輪機(jī)冷卻水出、入口溫度等，但測(cè)溫點(diǎn)距流量計(jì)較遠(yuǎn)，且易受環(huán)境溫度影響，幾個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度值相差經(jīng)常會(huì)達(dá)到0.5～1℃；對(duì)于在水輪機(jī)蝸殼處留有取水口的機(jī)組，也可采用取水測(cè)溫方式，但由于對(duì)管道內(nèi)水溫分布未知，單一取水點(diǎn)測(cè)溫是否能代表管道內(nèi)平均溫度存在一定疑問，且由于取水量較小，測(cè)量過程易受外界環(huán)境條件影響，這都制約了測(cè)溫的準(zhǔn)確度，造成流量計(jì)校準(zhǔn)的不確定度較大。在流量計(jì)處安裝溫度傳感器無疑是準(zhǔn)確獲取溫度參數(shù)的最佳方案，該方案在三峽電站新建地下電站31#機(jī)組流量計(jì)進(jìn)行了嘗試。

1　校準(zhǔn)用溫度傳感器設(shè)計(jì)

在三峽電站水輪機(jī)進(jìn)水管道這種特殊環(huán)境[4]下安裝溫度傳感器難度相對(duì)較大，首先，安裝的前提條件是安全可靠，絕不能對(duì)水輪機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生影響，這就要求安裝的傳感器及引線能夠耐受最大靜水頭約150m的水壓，并能夠承受10m/s流速的沖擊，而不出現(xiàn)脫落與漏水等問題，因此，傳感器探頭結(jié)構(gòu)以及引線方式都需要特殊設(shè)計(jì)。

1.引線；2.引線陶瓷套管；3.密封膠；4.探頭陶瓷套管；5.感溫元件

如圖1所示，溫度傳感器探頭為不銹鋼材質(zhì)的圓柱體，測(cè)量端面為45°斜面，圓柱體中心開有5mm的圓孔，溫度傳感器的感溫敏感元件從測(cè)量斜面中探出，可與被測(cè)介質(zhì)充分接觸；為保證絕緣，傳感器及其引線與探頭圓柱體之間采用氧化鋁陶瓷套管隔離；為保證密封性，在探頭開孔中填充密封膠。

探頭的外形與超聲流量計(jì)換能器相似，可采用流量計(jì)生產(chǎn)廠家已有的安裝方案，從而省去了安裝所需配件的重新設(shè)計(jì)。探頭通過螺釘固定在基座上，基座直接焊接在管道內(nèi)壁上。探頭尾部與引線套管焊接，引線從套管中引出管道外部以連接測(cè)溫儀表。

如圖2所示，共安裝2支溫度傳感器，分別在1、3相限大致對(duì)稱的位置。溫度傳感器安裝方案經(jīng)與流量計(jì)生產(chǎn)廠家溝通且在流量計(jì)安裝之前確定，實(shí)際安裝工作與流量計(jì)的安裝同期進(jìn)行，并由流量計(jì)廠家負(fù)責(zé)，從而也避免了巨大的管道直徑所帶來的單獨(dú)安裝需搭建腳手架造成工程量大等困難，順利的完成了現(xiàn)場(chǎng)施工。此外，溫度傳感器在安裝前已經(jīng)過標(biāo)定，準(zhǔn)確度優(yōu)于0.02℃。

圖2　溫度傳感器安裝位置

2　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

安裝溫度傳感器的三峽電廠地下電站31#機(jī)組在2011年5月通水并投入試運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了5次，包括了3種實(shí)驗(yàn)條件：水輪機(jī)停機(jī)(管道內(nèi)為靜水)、水輪機(jī)空轉(zhuǎn)(管道內(nèi)有對(duì)流)、水輪機(jī)運(yùn)行(管道內(nèi)平均流速約7m/s)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了流量計(jì)處的水溫并同時(shí)采集了超聲流量計(jì)測(cè)量的聲速值。由表1溫度測(cè)量數(shù)據(jù)看，2支溫度傳感器的測(cè)量結(jié)果存在一定溫差，2支傳感器垂直距離約6m，上部的溫度比下部溫度偏高約0.1℃左右，顯示管道內(nèi)還是存在一定溫度梯度；而水溫的升高，主要是受水輪機(jī)調(diào)試過程中上游來水水溫變化以及環(huán)境溫度升高的影響。

表1　水溫測(cè)量結(jié)果

以2支溫度傳感器的平均值作為管道內(nèi)平均水溫計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)聲速，與流量計(jì)實(shí)測(cè)聲速對(duì)比如表2、圖3所示。表2中以流量計(jì)全部聲道測(cè)量的平均值作為平均實(shí)測(cè)聲速，其與標(biāo)準(zhǔn)聲速的最大偏差為0.05%，通過計(jì)算18個(gè)聲道測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，發(fā)現(xiàn)其值均在0.01%左右，證明各聲路工作一致性良好。

表2　聲速測(cè)量對(duì)比

圖3　聲速測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

由圖3可直觀地觀察到各聲道聲速測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)聲速的差異，圖中縱坐標(biāo)為聲速，橫坐標(biāo)為聲道編號(hào)，流量計(jì)聲道布置為交叉9聲道(包含2個(gè)測(cè)量斷面——A斷面及B斷面，每個(gè)斷面對(duì)稱布置9個(gè)聲道)，圖例“1-A”表示第1組實(shí)驗(yàn)中流量計(jì)A斷面聲道測(cè)量結(jié)果，而“1-T”表示第1組實(shí)驗(yàn)中由水溫計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)聲速。如圖所示每組實(shí)驗(yàn)中每條聲道的測(cè)量結(jié)果均比標(biāo)準(zhǔn)聲速大，存在一定系統(tǒng)偏差，但最大偏差僅為0.08%，小于規(guī)范所規(guī)定的0.2%，因此，可認(rèn)為該流量計(jì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)工作正常。

3　分析與討論

由于其它水溫測(cè)量方法受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，使用內(nèi)置溫度傳感器是目前最優(yōu)選擇。在進(jìn)行第5組實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了對(duì)比，在蝸殼處取水，測(cè)得水溫為21.25℃，比內(nèi)置溫度傳感器測(cè)量結(jié)果偏高0.25℃，由此引入的聲速偏差約為0.05%，成因主要是環(huán)境溫度相對(duì)較高(約為22～23℃)，由于取水流量相對(duì)較小，且取水時(shí)間較長，在測(cè)量時(shí)等待溫度穩(wěn)定也需要較長時(shí)間，造成水溫升高。上述因素給測(cè)量結(jié)果引入了較大的測(cè)量不確定度，從本次實(shí)驗(yàn)情況看，由測(cè)量過程引入的不確定度約為0.3℃左右，引入聲速測(cè)量不確定度約為0.06%。

雖然在不同位置安裝了2支傳感器以減少由于管內(nèi)溫度分布不均帶來的影響，但由于安裝條件限制，溫度傳感器只能安裝在靠近壁面的位置，不能測(cè)到流道的中心位置溫度，表2中第1、4組實(shí)驗(yàn)是在管道內(nèi)水有強(qiáng)制流動(dòng)(動(dòng)水)條件下完成，管內(nèi)水溫的均勻性相對(duì)較好，偏差值也相對(duì)較小，僅為0.03%和0.02%，這一觀點(diǎn)亦得到驗(yàn)證。粗略估計(jì)由未能充分補(bǔ)償水溫均勻性所引入的不確定度為0.05%，即按照靜水與動(dòng)水偏差之差的2倍考慮，對(duì)應(yīng)中心與近管壁處溫差約為0.5℃。但需要說明的是，對(duì)于蝸殼取水測(cè)溫也只能在管道壁面取水，因此該項(xiàng)不確定度來源也是存在的，而且由于只有一個(gè)取水點(diǎn)，該項(xiàng)不確定度會(huì)大于內(nèi)部測(cè)溫的方式。由此可見，2種方法相比，內(nèi)部溫度傳感器測(cè)溫方法的測(cè)量不確定度至少要小一半，可確實(shí)提高測(cè)量結(jié)果的可靠性。

4　結(jié)束語

雖然在流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)配置中并沒有溫度傳感器，但作為必要的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)設(shè)備之一，為流量計(jì)配備專用溫度測(cè)量設(shè)備，即可降低現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的不確定度，也為保證流量計(jì)的可靠運(yùn)行提供了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段。

水溫測(cè)量僅解決了流量計(jì)一個(gè)性能指標(biāo)的校準(zhǔn)問題，但這種校準(zhǔn)方式是對(duì)解決大口徑流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法的一個(gè)有效嘗試，在更大的范圍上講，這也為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法提供了一種思路。在英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)的“2020年計(jì)量發(fā)展遠(yuǎn)景”[4]中也提到，在未來工廠中現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量設(shè)備將具有自我校準(zhǔn)和溯源功能。在流量計(jì)生產(chǎn)中增加專為校準(zhǔn)使用的溫度傳感器，就是要將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)問題提前到計(jì)量設(shè)備的生產(chǎn)階段，甚至是系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)階段，從而提高現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的可執(zhí)行性。對(duì)安裝的溫度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)較易，從而保證了流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的可溯源性。

[1]JJF 1358—2012非實(shí)流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范 [S]

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