超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表,从20世纪80年代开始进入中国工业生产和计量领域,并涌现出了大量新产品,成为新型流量计的主要品种之一。

          便携式超声波流量计使用的目的是为了给生产、生活、科研等领域提供更加准确的行业数据,所以对它的准确校核尤为重要。

          实验中使用的是德国nivus公司提供的便携式超声波流量计,该流量计特点:便于携带、交叉相关数字模式识别、超高精度、绝对的零点稳定、可在满流和非满流管渠进行测量,可借助灵活的传感器安装系统,进行简易安装。可在高污染和含杂质的水体进行测量。简明的多菜单语言参数设置及编程。获准德国一级防爆区使用许可[1]。可连接调制解调器和无线电通信设备。在常用的计量设备投入使用之前,要对它进行校核。

     本实验中采用原始的三角堰进行校核,三角堰采用薄壁型直角三角堰,通过超声波测流对流量进行校核,查验该设备的精确度,以便投入实际应用时,尽量减小误差。1三角堰校核流量计的原理(1)首先通过体积法对三角堰进行校核,确保它的准确度。(2)通过流量计实测流量与三角堰量测流量进行比较,校核便携式超声波流量计的准确度。2三角堰测流原理和率定2.1原理通过测量堰口上游3~4倍最大水头处的堰上水头,根据经验公式推求出流量。尺寸如图1所示,为了提供更加稳定的水力条件,在两个缓流板之间加入砾石,达到缓流目的,每个缓流板分为大小两种圆孔,错开排列。直径分别为1cm、1.2cm。图1直角三角堰示意图2.2率定在实验中,采用体积法来测量堰流的流量。所需实验装置,三角堰、量水槽、水泵、水桶、量筒、烧杯、秒表、标尺、记录用的笔和纸。三角堰基本尺寸为:堰高P=11.55cm,水槽宽B=38.5cm,开口角度90°,水槽高h=40.5cm,开口宽度b=16cm,有效水头为h1,堰宽B=38.5cm(1)进行零点测量,在零点测量时,必须将水注满水槽,使水头从堰口开始流出或流出的水刚刚停止时的水面。防止由于表面张力产生较大的误差[2]。(2)打开水泵,通过阀门来调节供水水量,通过液位变化记录不同时刻的有效水头h1。(3)采用体积法,用秒表记录节水的初始时间t1和结束时间t2,用水桶在出水口接水,用量筒测量所接水体体积V。通过换算计算出实际流量q和实际高度H=h1+11.55cm。(4)通过经验公式q=Cd.185.2g.h15/2推求出经验流量[3]。其中Cd为流量系数,通过查表求得;h1为有效水头高度。3便携式超声波流量计测流3.1超声流量计安装(1)首先将传感器与发射机连接好。将传感器探头固定在堰上游3~4倍最大水头处。(2)接通电源,设置相关参数。(3)传感器探头安放要求:探头要安装牢固和稳定,流速传感器探头的倾斜面要正对介质的来流方向,对于临时固定的,用管夹将探头固定于渠底中央,探头底座不应与渠底有缝隙,保持探头水平[4]。3.2流量测量通过预置在渠底的传感器传输水流信号,之后经过转换,在主机中直接显示出瞬时流量、液位、流速及一段时间总流量。

     测流原理:超声波在流体中传播时,其流速受流体流速的影响。当声波在静止的流体中传播时,从换能器T1到T2的声波信号传送时间与从T2到T1的传送时间相同;当流体流动时,上游换能器T1向下游换能器T2发射一个信号,同时下游也向上游发射信号,而流体流速作用于声波信号,将加快从上游到下游方向的信号速度,同时减慢从下游到上游方向的信号速度,两个信号之间产生了时间差,由此求得液体的流速,再与渠道的流通截面积相乘,计算出流量。3.3试验数据与分析从表1中可以看出,实际测量流量与超声波流量计所测流量误差分布不均,且误差较大,最大值出现在堰上水头为5.50cm时,最小误差出现在堰上水头为8.20cm时。得出的数据不能采纳。由图2中可以看出代表实测流量红色方块所显示数据大多在最上一层,通过经验流量计算的用黄色三角代表的流量基本居中,而代表流量计所测流量的绿色线条则在最下。总体趋势为实测流量大于经验流量大于流量计流量。通过校核发现流量计所测流量不精准。表1流量水头对照表实测流量/(m3.s-1)经验流量/(m3.s-1)流量计流量/(m3.s-1)堰上水头/cm实测与流量计误差/%0.0001420.0001470.000152.500.0567160.0002100.0002280.000163.00-0.2396300.0003380.0003320.000253.50-0.2606500.0004130.0003930.000283.75-0.3224000.0004040.0004330.000283.90-0.3063900.0005000.0004660.000474.02-0.0611200.0005000.0004750.000404.05-0.2020400.0005340.0004890.000454.10-0.1568000.0005240.0005190.000454.20-0.1417100.0007280.0005820.000614.40-0.1753800.0007190.0005820.000644.40-0.1100500.0006890.0005790.000604.39-0.2741500.0007870.0006490.000684.60-0.2632400.0008200.0007200.000724.80-0.1216000.0008030.0007770.000694.95-0.1413800.0011900.0009710.000845.42-0.2926300.0012200.0010070.000835.50-0.3197100.0016000.0013530.001156.20-0.2795800.0015500.0014180.001386.32-0.1079100.0031000.0026990.003008.200.025095图2流量—水头图通过检查发现流量计本身不存在问题,原因可能因为安装位置不对,参数设置或渠道地面等问题[5]。通过重新调整它的安装位置,置于3.5倍最大水头处,将渠底进行整平,保证测量时流量计固定不动,控制流量大小,尽可能创造层流条件,加强缓流板缓流能力(通过放入粒径适当卵石),通过调整后再次测量所得新数据如表2。由表2中所显示的数据可以看出,实际测量值与流量计测量值误差基本保持在5%以内,符合测量精度要求。

   表2流量水头对照表实测流量/(m3.s-1)经验流量/(m3.s-1)流量计流量/(m3.s-1)堰上水头/cm实测与流量计误差/%0.0003812410.0003810.000373.70-0.0294854140.0004012670.0004060.000413.800.0217631580.0004686570.0004860.000474.100.0028662420.0005345780.0005190.000524.20-0.0272693860.0005605190.0005510.000574.300.0169146240.0006122410.0005820.000614.40-0.0199938480.0006170210.0006110.000614.50-0.0113793100.0006759250.0006320.000654.55-0.0383545130.0007444980.0007580.000734.90-0.0194737100.0008124060.0007960.000795.00-0.0275798240.0009306050.0009140.000925.30-0.0113962820.0009785710.0009570.000945.40-0.0394160580.0010061070.0010070.000985.50-0.0259484070.0011215090.0010990.001075.70-0.0459286680.0011753040.0011480.001125.80-0.0470547710.0011900010.0011970.001155.90-0.0336134450.0013113990.0013000.001286.10-0.0239431050.0013792210.0013530.001366.20-0.0139359700.0015360660.0015210.001516.50-0.0234791890.0018021280.0017510.001746.90-0.034474616图3流量一水头图此图所示曲线较平滑,上下浮动较小。

   4在实验室中应用通过校核后的超声波流量计在实验室排水管网模型系统中进行了实际应用,将超声波流量计安装在出水管的内壁上,用管夹固定住,之后打开水泵,在模拟系统中有四个可以调节的电磁阀,调整它们的开度,调节不同工况。在每个电磁阀之前还有一个与之串联的浮子流量计,用来读取通过该管道的流量。在不同工况下,通过观察发现,流量计在某一工况下流量基本保持稳定,它的流速剖面是个规则的抛物线。所测流量与排水管网模型系统计算流量见表3。表3流量水头表液位/m流速/(m.s-1)流量计流量/(m3.s-1)计算流量/(m3.s-1)误差/%0.0760.84713.60313.4980.0077190.0760.8413.43713.488-0.0038000.0760.8513.49913.4760.0017040.0760.84413.39113.480-0.0066500.0760.85413.54813.4860.0045760.0760.84513.43413.484-0.0037200.0760.85613.58513.4880.0071400.0760.83713.33413.490-0.0117000.0770.84413.65413.4930.011791由表3可以看出计算流量与实际测出的流量误差基本小于1%,这只能证明在实验室模拟系统中它具有较高的精确性,但在工程中的实际测流中,由于现场条件比实验室要复杂很多,所以要具体问题具体分析。实验室中的试验只是为了流量计在实际中的应用提供一个参考。5结束语超声波流量计与目前广泛使用的其他流量计相比,有很多优点,如系统基本投入较低、双向测量、大量程比、无压损、无运动部件和高精度等。

  在本实验中超声波流量计所测流量与实际流量相差较大,通过调整超声波流量计传感器的安装高度和与堰口的距离,还有体积法测量时计时的精确程度,得出较小的误差。所以在以后的超声波流量计校核中要注意传感器的安装位置,同时要做到计量的精确。在实验室中的模拟结果显示它在管流中测流的可行性,为它在实际应用中的推广作了理论依据。但实验室中条件太过理想,与实际情况有差别,在实际应用中还要注意。

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