提高超聲熱量表流量測(cè)量精度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱銳梁芳

（新疆計(jì)量測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊830026）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)大力提倡節(jié)能減排，供熱計(jì)量改革正在逐步發(fā)展。根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，采用分戶計(jì)量收費(fèi)措施可節(jié)約20%-34%的能源[1]。因此，對(duì)供熱收費(fèi)體制和采暖系統(tǒng)進(jìn)行改革，實(shí)現(xiàn)按表分戶計(jì)量收費(fèi)勢(shì)在必行。隨著改革的進(jìn)行，對(duì)熱量表的性能、質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。熱量表由流量傳感器、配對(duì)溫度傳感器和計(jì)算器三部分組成，流量傳感器為超聲波式的熱量表稱為超聲熱量表。超聲熱量表具有精度較高、對(duì)水質(zhì)要求較低、壓力損失小、可靠性好等特點(diǎn)，目前使用最為廣泛。超聲熱量表一般采用時(shí)差法計(jì)算流體的流速，表體結(jié)構(gòu)對(duì)流速測(cè)量影響很大。如何通過(guò)表體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高流量測(cè)量精度，特別是小流量點(diǎn)的測(cè)量精度，是超聲熱量表設(shè)計(jì)的難題之一。

1 時(shí)差法測(cè)量原理

時(shí)差法是利用兩個(gè)壓電換能器相互向?qū)Ψ桨l(fā)射超聲波，對(duì)方接收并記錄時(shí)間差，由于聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的速度不同，時(shí)間差可以準(zhǔn)確反映流體速度。測(cè)量原理見(jiàn)圖1。

圖1 時(shí)差法超聲波流量測(cè)量原理圖

圖中，D為管道內(nèi)直徑，L為換能器間距，t1為超聲波順流速度，t2為逆流速度，θ為傳播方向與流動(dòng)方向夾角。c為超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速，V為介質(zhì)流動(dòng)速度。順流和逆流時(shí)間可表示為：

t2和t1之間的差為：

由于V＜＜c，所以流體的流速為：

時(shí)差法所測(cè)量的流速是聲道上的線平均流速，而計(jì)算流量所需是流通橫截面的面平均流速VS。二者是不同的，差異取決于流速分布狀況。因此，必須對(duì)流場(chǎng)分布進(jìn)行修正。液體實(shí)際流速為：

其中，K為流速分布修正系數(shù)。

2 表體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)時(shí)差法測(cè)量原理可知，順流與逆流差值取決于測(cè)量管段流體流速。流速越快，差值越大，測(cè)量精度越高，小流量的流量測(cè)量尤為突出。同時(shí)，測(cè)量管段的流場(chǎng)穩(wěn)定，流速分布差異小，則容易進(jìn)行流速修正。因此，熱量表表體結(jié)構(gòu)一般采用以下三種設(shè)計(jì)，來(lái)提高超聲熱量表的流量測(cè)量精度。

2.1 表體加長(zhǎng)

超聲熱量表的流量測(cè)量量程比一般為50：1或100：1。量程比越大，可檢測(cè)的最小流量越小，計(jì)量能力越強(qiáng)。測(cè)量精度高、量程比大的超聲熱量表一般表體都比較長(zhǎng)。表體較長(zhǎng)的超聲熱量表，兩個(gè)換能器之間的超聲波聲程較長(zhǎng)，而且減少了前后連接法蘭處安裝偏心、墊圈偏心和前后管段內(nèi)表面粗糙度等對(duì)測(cè)量管段流場(chǎng)的影響，從而提高了超聲熱量表流量測(cè)量的精度。表1為兩種超聲熱能表的表體長(zhǎng)度對(duì)比。其中1#為量程比為100：1，計(jì)量性能較好的德國(guó)制造的超聲熱量表，2#為量程比為50：1，計(jì)量性能一般的國(guó)產(chǎn)超聲熱量表。

表1 兩種熱量表表長(zhǎng)對(duì)比

可以看出，流量測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好的超聲熱量表表體較長(zhǎng)，是普通熱量表的1.5倍左右。制造超聲熱量表基表的材料一般采用鑄銅或不銹鋼，表體加長(zhǎng)設(shè)計(jì)在提高測(cè)量精度的同時(shí)，也增加了生產(chǎn)成本，這也是國(guó)產(chǎn)表一般不采用表體加長(zhǎng)設(shè)計(jì)的原因。

2.2 縮徑

圖2 縮徑設(shè)計(jì)示意圖

縮徑結(jié)構(gòu)在DN40mm到DN100mm的超聲波熱量表中應(yīng)用較為普遍。流量測(cè)量量程比100：1、200：1的超聲熱量表，基表一般都采用了縮徑結(jié)構(gòu)。表前端經(jīng)弧形過(guò)渡到口徑小一些的直管段，表后端經(jīng)過(guò)同樣的弧形過(guò)渡回到安裝口徑。如圖2所示?？s徑提高了測(cè)量管段水流速度，并有一定的整流作用，因此提高了測(cè)量精度，尤其是小流量的測(cè)量精度。例如，某廠家DN100mm的超聲熱量表，縮徑部分僅為DN60mm，管中水流經(jīng)縮徑后，增速3倍左右。縮徑結(jié)構(gòu)對(duì)小流量點(diǎn)的流量測(cè)量非常有效，拓寬了超聲熱量表的流量測(cè)量范圍?？s徑結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是增加了管路沿途壓力損失。

2.3 整流器

DN100mm以下的超聲熱量表，還可以采用入口端加整流器的方法，提高流量測(cè)量精度。超聲熱量表采用的表前整流器一般為兩種方式：第一種為篩網(wǎng)整流板，類似于水表前端的整流器，第二種為十字整流板，見(jiàn)圖3。篩網(wǎng)整流板一般用于光管表體超聲熱量表，而十字整流板一般用于縮徑表體的超聲熱量表。原因在于，篩網(wǎng)整流板的整流效果比十字整流板好，但是對(duì)管路的阻力較大，壓損較大。因此，對(duì)于光管表體超聲熱量表，可以采用篩網(wǎng)整流板整流；縮徑結(jié)構(gòu)的超聲熱量表，由于縮徑有一定整流作用，再采用篩網(wǎng)整流壓損過(guò)大，一般采用十字導(dǎo)流板整流，壓力損失小，并且可以達(dá)到較好的整流效果。DN100mm以上超聲熱量表，前端一般不采用整流器。其原因是大口徑超聲熱量表對(duì)小流量點(diǎn)的測(cè)量精度要求相對(duì)較低，大口徑管路的壓損要求較高。

圖3 表前整流器示意圖

3 結(jié)論

表體加長(zhǎng)、縮徑、整流器三種表體結(jié)構(gòu)方式可以提高超聲熱量表的流量測(cè)量精度。本文詳細(xì)介紹了這三種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和適用條件。一般采用三種中的若干種組合的方式，應(yīng)用于DN100mm以下的超聲熱量表，提高了流量測(cè)量精度，尤其是小流量點(diǎn)的測(cè)量精度。大量檢測(cè)數(shù)據(jù)證明，縮徑結(jié)構(gòu)和十字導(dǎo)流板組合的方式，流量穩(wěn)定性較好，不易被水質(zhì)雜質(zhì)堵塞管路，對(duì)安裝場(chǎng)地的前直管段要求較低。因此，在安裝條件較為復(fù)雜，或?qū)π×髁繙y(cè)量精度要求較高的情況下，建議選擇縮徑結(jié)構(gòu)、有表前整流器的超聲熱量表。

［1］鞠文濤.超聲波熱量表的設(shè)計(jì)與研發(fā)[D].浙江大學(xué)，2008：1－3.

［2］姜志成.超聲波反射裝置對(duì)超聲波流量計(jì)內(nèi)水流特性影響的研究[D].山東大學(xué)，2010：7－9.

［3］姜勇.時(shí)差法超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)與研發(fā)[D].浙江大學(xué)，2006：13－14.