大口径超声流量计声速现场校准技术改进*

孟　涛　李文学　张　亮　胡鹤鸣　曹　鹏,3　徐春荣

(1.中国计量科学研究院，北京 100013；2.中国长江三峡集团公司机电工程局，成都 610023；3.河北大学，保定 071002；4.南京申瑞电气系统控制有限公司，南京 210000)

0　引言

在大口径超声流量计现场校准中，一般是通过对流量计声速测量准确性的核查检验流量计时间测量系统的准确性。按照JJF 1358—2012《非实流法校准DN1000～DN15000液体超声流量计校准规范》[1]要求，各声道的声速测量结果与标准声速偏差Ec,i一般应小于0.2%，计算方法如式(1)所示。

Ec,i=|Cm,i-Cs|/Cs×100%

(1)

式中：i=1,2……n；Cm,i为第i声道声速测量值；Cs为标准声速。

一般在现场条件下，标准声速的获取通常采用参考文献[2]中的经验公式计算得到。该公式中，声速Cs是水温Tw和水压pw的函数：Cs=f(Ts,pw)。在常温范围内，压力对声速的影响量为每升高1Pa声速会降低1.56×10-6m/s[3]，对于三峡电站现场，水压主要是来自于水头的静压力，换算为水头对声速的影响量约为：每升高1m水头声速降低1.53×10-2m/s，而在现场获取的静水头数据可准确到10m以内，因此由于水压测量对标准声速计算的影响小于0.01%，可以忽略；同样由公式计算可知，水温每上升1℃声速提高0.2%，水温测量的准确性是现场声速校准的关键因素。

在对三峡右岸3台机组超声流量计现场校准时发现，流量计处的水温测量是比较困难的。流量计安装在水轮机进水流道，由于该位置没有安装测温仪表，若想直接获取水温参数只能从水轮机监控数据中调取，如水轮机冷却水出、入口温度等，但测温点距流量计较远，且易受环境温度影响，几个测温点的温度值相差经常会达到0.5～1℃；对于在水轮机蜗壳处留有取水口的机组，也可采用取水测温方式，但由于对管道内水温分布未知，单一取水点测温是否能代表管道内平均温度存在一定疑问，且由于取水量较小，测量过程易受外界环境条件影响，这都制约了测温的准确度，造成流量计校准的不确定度较大。在流量计处安装温度传感器无疑是准确获取温度参数的最佳方案，该方案在三峡电站新建地下电站31#机组流量计进行了尝试。

1　校准用温度传感器设计

在三峡电站水轮机进水管道这种特殊环境[4]下安装温度传感器难度相对较大，首先，安装的前提条件是安全可靠，绝不能对水轮机组的运行产生影响，这就要求安装的传感器及引线能够耐受最大静水头约150m的水压，并能够承受10m/s流速的冲击，而不出现脱落与漏水等问题，因此，传感器探头结构以及引线方式都需要特殊设计。

1.引线；2.引线陶瓷套管；3.密封胶；4.探头陶瓷套管；5.感温元件

如图1所示，温度传感器探头为不锈钢材质的圆柱体，测量端面为45°斜面，圆柱体中心开有5mm的圆孔，温度传感器的感温敏感元件从测量斜面中探出，可与被测介质充分接触；为保证绝缘，传感器及其引线与探头圆柱体之间采用氧化铝陶瓷套管隔离；为保证密封性，在探头开孔中填充密封胶。

探头的外形与超声流量计换能器相似，可采用流量计生产厂家已有的安装方案，从而省去了安装所需配件的重新设计。探头通过螺钉固定在基座上，基座直接焊接在管道内壁上。探头尾部与引线套管焊接，引线从套管中引出管道外部以连接测温仪表。

如图2所示，共安装2支温度传感器，分别在1、3相限大致对称的位置。温度传感器安装方案经与流量计生产厂家沟通且在流量计安装之前确定，实际安装工作与流量计的安装同期进行，并由流量计厂家负责，从而也避免了巨大的管道直径所带来的单独安装需搭建脚手架造成工程量大等困难，顺利的完成了现场施工。此外，温度传感器在安装前已经过标定，准确度优于0.02℃。

图2　温度传感器安装位置

2　现场实验

安装温度传感器的三峡电厂地下电站31#机组在2011年5月通水并投入试运行，现场实验共进行了5次，包括了3种实验条件：水轮机停机(管道内为静水)、水轮机空转(管道内有对流)、水轮机运行(管道内平均流速约7m/s)，实验测量了流量计处的水温并同时采集了超声流量计测量的声速值。由表1温度测量数据看，2支温度传感器的测量结果存在一定温差，2支传感器垂直距离约6m，上部的温度比下部温度偏高约0.1℃左右，显示管道内还是存在一定温度梯度；而水温的升高，主要是受水轮机调试过程中上游来水水温变化以及环境温度升高的影响。

表1　水温测量结果

以2支温度传感器的平均值作为管道内平均水温计算标准声速，与流量计实测声速对比如表2、图3所示。表2中以流量计全部声道测量的平均值作为平均实测声速，其与标准声速的最大偏差为0.05%，通过计算18个声道测量声速的实验标准差，发现其值均在0.01%左右，证明各声路工作一致性良好。

表2　声速测量对比

图3　声速测量结果对比图

由图3可直观地观察到各声道声速测量结果与标准声速的差异，图中纵坐标为声速，横坐标为声道编号，流量计声道布置为交叉9声道(包含2个测量断面——A断面及B断面，每个断面对称布置9个声道)，图例“1-A”表示第1组实验中流量计A断面声道测量结果，而“1-T”表示第1组实验中由水温计算得到的标准声速。如图所示每组实验中每条声道的测量结果均比标准声速大，存在一定系统偏差，但最大偏差仅为0.08%，小于规范所规定的0.2%，因此，可认为该流量计计时系统工作正常。

3　分析与讨论

由于其它水温测量方法受现场条件限制，使用内置温度传感器是目前最优选择。在进行第5组实验时进行了对比，在蜗壳处取水，测得水温为21.25℃，比内置温度传感器测量结果偏高0.25℃，由此引入的声速偏差约为0.05%，成因主要是环境温度相对较高(约为22～23℃)，由于取水流量相对较小，且取水时间较长，在测量时等待温度稳定也需要较长时间，造成水温升高。上述因素给测量结果引入了较大的测量不确定度，从本次实验情况看，由测量过程引入的不确定度约为0.3℃左右，引入声速测量不确定度约为0.06%。

虽然在不同位置安装了2支传感器以减少由于管内温度分布不均带来的影响，但由于安装条件限制，温度传感器只能安装在靠近壁面的位置，不能测到流道的中心位置温度，表2中第1、4组实验是在管道内水有强制流动(动水)条件下完成，管内水温的均匀性相对较好，偏差值也相对较小，仅为0.03%和0.02%，这一观点亦得到验证。粗略估计由未能充分补偿水温均匀性所引入的不确定度为0.05%，即按照静水与动水偏差之差的2倍考虑，对应中心与近管壁处温差约为0.5℃。但需要说明的是，对于蜗壳取水测温也只能在管道壁面取水，因此该项不确定度来源也是存在的，而且由于只有一个取水点，该项不确定度会大于内部测温的方式。由此可见，2种方法相比，内部温度传感器测温方法的测量不确定度至少要小一半，可确实提高测量结果的可靠性。

4　结束语

虽然在流量计的标准配置中并没有温度传感器，但作为必要的现场校准设备之一，为流量计配备专用温度测量设备，即可降低现场校准的不确定度，也为保证流量计的可靠运行提供了实时监测手段。

水温测量仅解决了流量计一个性能指标的校准问题，但这种校准方式是对解决大口径流量计现场校准方法的一个有效尝试，在更大的范围上讲，这也为现场校准方法提供了一种思路。在英国国家物理实验室(NPL)的“2020年计量发展远景”[4]中也提到，在未来工厂中现场计量设备将具有自我校准和溯源功能。在流量计生产中增加专为校准使用的温度传感器，就是要将现场检测问题提前到计量设备的生产阶段，甚至是系统的方案设计阶段，从而提高现场校准的可执行性。对安装的温度传感器进行现场校准，实现相对较易，从而保证了流量计现场校准的可溯源性。

[1]JJF 1358—2012非实流法校准DN1000～DN15000液体超声流量计校准规范 [S]

[2]V A Belogol’skii, S S Sekoyan, L M Samorukova, et al. Pressure dependence of the sound velocity in distilled water [J]. Measurement Techniques, 1999, 42(4), 406-413

[3]Elsa Batista, Richard Paton. The selection of water property formulae for volume and flow calibration [J]. Metrologia, 2007, 44, 453-463

[4]孟涛,胡鹤鸣,王池,等.三峡电站流量计准确度评估实验模型设计[J].计量技术,2009(11)

[5]Kamal Hossain, Martin Milton, Bill Nimmo. Metrology for the 2020s[OL].[ 2012-03-29].http://www.npl.co.uk/content/ConMediaFile/5909

[6]IEC41-1991, International Code for the Field Acceptance Test of Hydraulic Turbines[S]

[7]ASME PTC 18-2002, Hydraulic Turbines Performance Test Codes[S]

[8]张亮,徐益挺,孟涛,等.超声流量计系统延时检定方法研究[J].计量技术,2013(3)