南水北调中线配套工程中超声波流量计的应用研究

□梁柱志

在保定市南水北调中线配套工程中，输水方式主要为地埋管道输水，在首端、末端及分水口处设有流量计量装置，根据安装和检修等多方面因素的考虑，管径在0.9m及以上的多采用超声波流量计。为了更好地使用设备，分析设备使用中出现的各种状况，熟悉了解管道输水过程中水流形态和设备工作原理，对管道输水安全运行十分重要。

1.管道输水水流形态

1.1 水流形态分类

管道内的水流分为层流和紊流两种形态，判断管内水流形态的依据为雷诺数Re：

式中：

υ—管道内水流平均速度；

d—管道内径；

ν—水的黏滞系数。

当Re＜2000时，水流形态为层流。Re＞2000时，水流形态为紊流。

经查阅南水北调中线配套工程基础运行资料得到供水压力约为0.1Mpa～0.35Mpa，温度约为10℃～35℃。根据工程流体力学相关知识，流体压力对黏滞系数的影响极小，一般不考虑；温度对黏滞系数的影响比较显著。不同温度下动力黏滞系数值见表1。

表1 不同温度下水的黏滞系数

因水的黏滞系数随温度升高而降低，雷诺数计算中流速与黏滞系数成反比，为计算输水管道层流状态下的最大流速，则需取温度较高状态下的黏滞系数最低值，即ν=0.658。

2017年1月—2018年6月门诊收治的68例脑梗塞患者，患者均符合1995年全国第四届脑血管病学术会议对于脑梗塞疾病诊断标准，经过头颅CT确诊。按照收治时间将以上患者分为观察组及对照组，每组34例。观察组男性患者20例，女性患者14例年龄32～70岁，平均（52.3±8.0）岁，对照组男性患者18例，女性患者16例，年龄35～75岁，平均（55.3±7.5）岁，分析两组患者一般资料差异不显著。本次临床用药患者均知情同意，治疗方案经过我院院办认可。

1.2 典型管道输水水流形态

经筛选保定市南水北调配套工程输水管道，确定了安装超声波流量计的各尺寸管径中流量较大5条管道为典型输水管道来分析，其雷诺数Re'计算见表2。

根据表2可知，5条典型输水管道雷诺数Re'远远小于2000，水流形态是较为稳定的层流。

表2 5条典型输水管道水流形态分析表

1.3 典型层流流速计算

根据雷诺数值分析，5条典型输水管道在设计工况范围内，过水断面的流速分布为较为典型的层流运动分布—抛物线型，其断面流速可根据典型层流运动分布流速公式计算。抛物线型层流流速分布示意图见图1。

图1 抛物线型层流流速分布示意图

各层点流速为：

过水断面的平均流速为：

式中：

U—各层点流速；

umax—断面最大点流速；

J—水力坡度；

μ—水的动力黏滞系数；

γ—管道半径。

2.超声波流量计基本情况

2.1 类型特点

根据测量方法不同，当前流量计类型大致可分为：差压式流量计、速度式流量计、容积式流量计、质量式流量计。其中速度式流量计主要有：涡轮流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计以及时差式超声波流量计。

时差式超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。

2.2 型号样式

根据管道管径大小不同，时差式超声波流量计换能器安装方式有V形、Z形、W形3种形式，通常情况下选用V形标准安装方式；管径大于400mm时，采用Z形；小管径采用W形。不同工况下选用不同的安装方式，可保证换能器超声波信号强度高，测量稳定性好。

5条典型输水管道选用时差式插入式超声波流量计，传感器为rittmeyer品牌，1MHZ频率，Z法安装，采用4声道平行交叉相结合的布置方式安装，安装布置示意图见图2。

图2 4声道传感器Z法安装布置示意图

插入式超声波流量计具有非常简单的安装方式，可以实现带压安装与拆卸，过程无需停水、排水。采用4声道的测量，能有效地减小不稳定发展流场对测量结果的影响，并能在一个声道出现故障时继续使用其他正常声道进行有效测量，由此提高仪器的准确度及可靠性。

2.3 工作原理

超声波流量计每声道传感器有2只，在工作时，2支传感器互相发射、接收超声波信号。通过数字处理技术以及时差探测法，测量出传感器所在断面流体流速对超声波信号传输时间产生的影响，如图3所示。

图3 断面1四支传感器工作原理

我们将上游传感器探头A发射的超声波信号被下游传感器探头B接收的时间记为t1，将下游传感器探头B发射的超声波信号被上游传感器探头A接收的时间记为t2。当管线介质静止时，t2-t1=0。当管线介质流动时，流体流速对超声波信号的传输产生影响，导致上游到下游的超声波信号传输速度加快，下游到上游的超声波信号传输速度减慢，即t2-t1=Δt。通过两个信号之间的时间差计算得到传感器之间的水流平均速度v1声道。

2.4 数据处理

根据二维断面流态分析和测量，直接计算得出的传感器间水流平均速度v1声道、v2声道，结合立体管道流态分析，得出该断面的流速v12；同理可通过v3声道、v4声道计算得断面2的流速v34。通过较为复杂的数学模型分析和推导计算得管道横截面的平均流速v，再乘以管线横截面积S，即计算得出流体的体积流量V。即：

经查阅大量文献、咨询专业厂家得知，管道流态的数学模型及其相关公式推导运算，均属商业机密内容，不同品牌流量计的精度差异大多也是因建模和系数之间的不同而引起，现不作过多阐述。