孟　濤　李文學(xué)　張　亮　胡鶴鳴　曹　鵬,3　徐春榮

(1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100013；2.中國長江三峽集團公司機電工程局，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現(xiàn)場校準(zhǔn)中，一般是通過對流量計聲速測量準(zhǔn)確性的核查檢驗流量計時間測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。按照J(rèn)JF 1358—2012《非實流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計校準(zhǔn)規(guī)范》[1]要求，各聲道的聲速測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)聲速偏差Ec,i一般應(yīng)小于0.2%，計算方法如式(1)所示。

Ec,i=|Cm,i-Cs|/Cs×100%

(1)

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

一般在現(xiàn)場條件下，標(biāo)準(zhǔn)聲速的獲取通常采用參考文獻[2]中的經(jīng)驗公式計算得到。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)，壓力對聲速的影響量為每升高1Pa聲速會降低1.56×10-6m/s[3]，對于三峽電站現(xiàn)場，水壓主要是來自于水頭的靜壓力，換算為水頭對聲速的影響量約為：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)，因此由于水壓測量對標(biāo)準(zhǔn)聲速計算的影響小于0.01%，可以忽略；同樣由公式計算可知，水溫每上升1℃聲速提高0.2%，水溫測量的準(zhǔn)確性是現(xiàn)場聲速校準(zhǔn)的關(guān)鍵因素。

在對三峽右岸3臺機組超聲流量計現(xiàn)場校準(zhǔn)時發(fā)現(xiàn)，流量計處的水溫測量是比較困難的。流量計安裝在水輪機進水流道，由于該位置沒有安裝測溫儀表，若想直接獲取水溫參數(shù)只能從水輪機監(jiān)控數(shù)據(jù)中調(diào)取，如水輪機冷卻水出、入口溫度等，但測溫點距流量計較遠(yuǎn)，且易受環(huán)境溫度影響，幾個測溫點的溫度值相差經(jīng)常會達到0.5～1℃；對于在水輪機蝸殼處留有取水口的機組，也可采用取水測溫方式，但由于對管道內(nèi)水溫分布未知，單一取水點測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，測量過程易受外界環(huán)境條件影響，這都制約了測溫的準(zhǔn)確度，造成流量計校準(zhǔn)的不確定度較大。在流量計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#機組流量計進行了嘗試。

1　校準(zhǔn)用溫度傳感器設(shè)計

在三峽電站水輪機進水管道這種特殊環(huán)境[4]下安裝溫度傳感器難度相對較大，首先，安裝的前提條件是安全可靠，絕不能對水輪機組的運行產(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。

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量斜面中探出，可與被測介質(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換能器相似，可采用流量計生產(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。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相限大致對稱的位置。溫度傳感器安裝方案經(jīng)與流量計生產(chǎn)廠家溝通且在流量計安裝之前確定，實際安裝工作與流量計的安裝同期進行，并由流量計廠家負(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)場實驗

安裝溫度傳感器的三峽電廠地下電站31#機組在2011年5月通水并投入試運行，現(xiàn)場實驗共進行了5次，包括了3種實驗條件：水輪機停機(管道內(nèi)為靜水)、水輪機空轉(zhuǎn)(管道內(nèi)有對流)、水輪機運行(管道內(nèi)平均流速約7m/s)，實驗測量了流量計處的水溫并同時采集了超聲流量計測量的聲速值。由表1溫度測量數(shù)據(jù)看，2支溫度傳感器的測量結(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)平均水溫計算標(biāo)準(zhǔn)聲速，與流量計實測聲速對比如表2、圖3所示。表2中以流量計全部聲道測量的平均值作為平均實測聲速，其與標(biāo)準(zhǔn)聲速的最大偏差為0.05%，通過計算18個聲道測量聲速的實驗標(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　聲速測量對比

圖3　聲速測量結(jié)果對比圖

由圖3可直觀地觀察到各聲道聲速測量結(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，流量計聲道布置為交叉9聲道(包含2個測量斷面——A斷面及B斷面，每個斷面對稱布置9個聲道)，圖例“1-A”表示第1組實驗中流量計A斷面聲道測量結(jié)果，而“1-T”表示第1組實驗中由水溫計算得到的標(biāo)準(zhǔn)聲速。如圖所示每組實驗中每條聲道的測量結(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)為該流量計計時系統(tǒng)工作正常。

3　分析與討論

由于其它水溫測量方法受現(xiàn)場條件限制，使用內(nèi)置溫度傳感器是目前最優(yōu)選擇。在進行第5組實驗時進行了對比，在蝸殼處取水，測得水溫為21.25℃，比內(nèi)置溫度傳感器測量結(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)境溫度相對較高(約為22～23℃)，由于取水流量相對較小，且取水時間較長，在測量時等待溫度穩(wěn)定也需要較長時間，造成水溫升高。上述因素給測量結(jié)果引入了較大的測量不確定度，從本次實驗情況看，由測量過程引入的不確定度約為0.3℃左右，引入聲速測量不確定度約為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，不能測到流道的中心位置溫度，表2中第1、4組實驗是在管道內(nèi)水有強制流動(動水)條件下完成，管內(nèi)水溫的均勻性相對較好，偏差值也相對較小，僅為0.03%和0.02%，這一觀點亦得到驗證。粗略估計由未能充分補償水溫均勻性所引入的不確定度為0.05%，即按照靜水與動水偏差之差的2倍考慮，對應(yīng)中心與近管壁處溫差約為0.5℃。但需要說明的是，對于蝸殼取水測溫也只能在管道壁面取水，因此該項不確定度來源也是存在的，而且由于只有一個取水點，該項不確定度會大于內(nèi)部測溫的方式。由此可見，2種方法相比，內(nèi)部溫度傳感器測溫方法的測量不確定度至少要小一半，可確實提高測量結(jié)果的可靠性。

4　結(jié)束語

雖然在流量計的標(biāo)準(zhǔn)配置中并沒有溫度傳感器，但作為必要的現(xiàn)場校準(zhǔn)設(shè)備之一，為流量計配備專用溫度測量設(shè)備，即可降低現(xiàn)場校準(zhǔn)的不確定度，也為保證流量計的可靠運行提供了實時監(jiān)測手段。

水溫測量僅解決了流量計一個性能指標(biāo)的校準(zhǔn)問題，但這種校準(zhǔn)方式是對解決大口徑流量計現(xiàn)場校準(zhǔn)方法的一個有效嘗試，在更大的范圍上講，這也為現(xiàn)場校準(zhǔn)方法提供了一種思路。在英國國家物理實驗室(NPL)的“2020年計量發(fā)展遠(yuǎn)景”[4]中也提到，在未來工廠中現(xiàn)場計量設(shè)備將具有自我校準(zhǔn)和溯源功能。在流量計生產(chǎn)中增加專為校準(zhǔn)使用的溫度傳感器，就是要將現(xiàn)場檢測問題提前到計量設(shè)備的生產(chǎn)階段，甚至是系統(tǒng)的方案設(shè)計階段，從而提高現(xiàn)場校準(zhǔn)的可執(zhí)行性。對安裝的溫度傳感器進行現(xiàn)場校準(zhǔn)，實現(xiàn)相對較易，從而保證了流量計現(xiàn)場校準(zhǔn)的可溯源性。

[1]JJF 1358—2012非實流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計校準(zhǔn)規(guī)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]孟濤,胡鶴鳴,王池,等.三峽電站流量計準(zhǔn)確度評估實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計[J].計量技術(shù),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]張亮,徐益挺,孟濤,等.超聲流量計系統(tǒng)延時檢定方法研究[J].計量技術(shù),2013(3)