摘　要：針對(duì)大型低揚(yáng)程泵站進(jìn)水流道斷面形狀及流態(tài)變化復(fù)雜，難以選擇時(shí)差式超聲波流量計(jì)測(cè)流斷面的實(shí)際情況，提出可通過對(duì)進(jìn)水流道進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)確定并優(yōu)化超聲波流量計(jì)換能器的安裝位置，并對(duì)換能器的安裝對(duì)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.結(jié)合南水北調(diào)東線工程寶應(yīng)泵站水泵裝置模型試驗(yàn)，對(duì)兩款時(shí)差式超聲波流量計(jì)與高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)流量測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試.結(jié)果表明，兩款流量計(jì)最大相對(duì)誤差分別為1.60％和0.39％，均具有較高的測(cè)試精度，穩(wěn)定性也較好，能滿足泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的精度要求.
　　大型低揚(yáng)程泵站在我國(guó)的平原地區(qū)應(yīng)用廣泛，在農(nóng)田灌溉排水、城市防洪、跨流域調(diào)水等方面發(fā)揮了重要作用.由于這類泵站一般帶有形狀較為復(fù)雜的進(jìn)出水流道，不同運(yùn)行工況下流道內(nèi)的水流流動(dòng)情況也很復(fù)雜，因此，利用泵裝置自身?xiàng)l件布置測(cè)流設(shè)備來(lái)進(jìn)行泵流量測(cè)量，往往難以滿足測(cè)試設(shè)備所要求的斷面流速分布均勻或漸變流的條件，從而影響到測(cè)試精度.目前，泵站測(cè)流常用的方法有流速儀法、鹽水濃度法、五孔探針法、差壓計(jì)法等［1－5］.這些方法在測(cè)試精度、安裝的繁簡(jiǎn)程度、測(cè)試工作量大小等方面各有特色，但至今尚沒有一種公認(rèn)的既簡(jiǎn)便可靠，又具有較高精度的測(cè)試方法.這一現(xiàn)狀在一定程度上影響了大型低揚(yáng)程泵站的技術(shù)進(jìn)步和科學(xué)管理.
　　近年來(lái)，時(shí)差式超聲波流量計(jì)測(cè)流技術(shù)有了很大的發(fā)展，并在水電站行業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中有了較好的應(yīng)用.這是由于水電站一般有較長(zhǎng)的直段輸水管道，斷面形狀較為規(guī)則，因此其流態(tài)條件較好，相對(duì)容易滿足換能器的安裝要求.但是大型低揚(yáng)程泵站的情況則不相同.雖然超聲波流量計(jì)近年來(lái)在泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中有一些應(yīng)用［1］，取得了一些成果，但是仍然處于起步或探索階段.其中的難點(diǎn)主要是難以選擇到流速分布較為均勻的測(cè)流斷面.如果能在保證較高精度的前提下找到合適的換能器布設(shè)位置和布設(shè)方式，如果能有效地減少換能器安裝對(duì)數(shù)以降低現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的工作量和測(cè)試成本，則將有力地推動(dòng)該技術(shù)在泵站行業(yè)的應(yīng)用，并將有效地促進(jìn)我國(guó)大型低揚(yáng)程泵站的建設(shè)和管理水平.
　　采用兩款超聲波流量計(jì)與精度佳水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)流量測(cè)試設(shè)備來(lái)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，得到其模型測(cè)試誤差，從而為提高大型低揚(yáng)程泵站流量的測(cè)流精度，找到有效的方法.
1　時(shí)差式超聲波流量計(jì)測(cè)流技術(shù)
　　應(yīng)用超聲波流量計(jì)常用的測(cè)量方法為傳播速度差法、多普勒法等.傳播速度差法又包括直接時(shí)差法、相差法和頻差法［6］.時(shí)差式超聲波流量計(jì)的工作原理如圖1所示.它利用超聲波換能器接收、發(fā)射超聲波，通過測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體的流速，再通過流速及斷面情況來(lái)計(jì)算流量［7，8］.

2　流量對(duì)比測(cè)試
2.1　試驗(yàn)臺(tái)與測(cè)試設(shè)備
　　如圖2所示，效率測(cè)試系統(tǒng)綜合誤差為±0.39％.該試驗(yàn)臺(tái)于2001年9月通過由江蘇省科技廳組織的鑒定，并于200４年通過國(guó)家計(jì)量論證評(píng)審.試驗(yàn)臺(tái)流量測(cè)試設(shè)備為ＤＮ４00型電磁流量計(jì)，標(biāo)定精度為±0.197％.

2.2　換能器安裝位置
　　結(jié)合南水北調(diào)東線工程寶應(yīng)泵站［9，10］水泵裝置模型試驗(yàn)，模型比λ＝1∶9.833，對(duì)兩款時(shí)差式超聲波流量計(jì)與試驗(yàn)臺(tái)流量測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試.流量計(jì)1采用10對(duì)換能器，流量計(jì)2采用8對(duì)換能器，安裝位置示意見圖3.兩款流量計(jì)的廠商在試驗(yàn)前均進(jìn)行了進(jìn)水流道三維紊流數(shù)值模擬，通過計(jì)算，確定在流態(tài)相對(duì)較好的進(jìn)水流道內(nèi)安裝換能器，并對(duì)安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化.

2.3　對(duì)比測(cè)試結(jié)果
　　試驗(yàn)時(shí)以試驗(yàn)臺(tái)ＤＮ４00型電磁流量計(jì)的測(cè)試值作為標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)試范圍為（0.795～1.163）Qｅ（Qｅ為試驗(yàn)泵裝置在水泵葉片角度為0°時(shí)的最高效率點(diǎn)流量）.對(duì)比測(cè)試時(shí)，對(duì)每個(gè)流量點(diǎn)均進(jìn)行了3次重復(fù)測(cè)量.表1為流量計(jì)1和流量計(jì)2單點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄.

　　表2和表3分別為流量計(jì)1和流量計(jì)2與試驗(yàn)臺(tái)流量計(jì)對(duì)比測(cè)試的誤差計(jì)算，其中絕對(duì)誤差為流量計(jì)測(cè)試值與試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試值之差，相對(duì)誤差為絕對(duì)誤差與試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試值之比，表中流量測(cè)試值均為3次測(cè)量的平均值.


　　由表1～表3可知，與試驗(yàn)臺(tái)流量計(jì)實(shí)測(cè)值相比，流量計(jì)1和流量計(jì)2的誤差范圍分別為－1.60％～－0.59％及－0.39％～0.18％，最大相對(duì)誤差分別為1.60％和0.39％.兩款流量計(jì)均具有較高的精度，但流量計(jì)2的流量測(cè)量精度更高，穩(wěn)定性更好.
3　結(jié)　論
　　近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)開始應(yīng)用的時(shí)差式超聲波流量計(jì)，其流速測(cè)量保證精度一般為±0.5％（規(guī)則斷面）.如果將其應(yīng)用于大型低揚(yáng)程泵站，并在進(jìn)水流道內(nèi)布置換能器，通過進(jìn)一步的優(yōu)化，還可以達(dá)到更高的精度［7］.即使考慮到換能器安裝、過流斷面積測(cè)量等方面的因素，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試精度仍可望控制在±1.5％以內(nèi)，可以滿足泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的需要，采用三維紊流數(shù)值模擬方法模擬泵站進(jìn)水流道內(nèi)的流場(chǎng)，不僅可以優(yōu)化超聲波流量計(jì)換能器的安裝位置，提高測(cè)試精度，還可對(duì)換能器的安裝對(duì)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到減少測(cè)試用換能器的數(shù)量、減小安裝工作量和測(cè)試費(fèi)用的目的［7］.
　　時(shí)差式超聲波流量計(jì)具有安裝簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、阻力損失小等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)流量的在線測(cè)量，通過對(duì)大型低揚(yáng)程泵站進(jìn)水流道進(jìn)行三維紊流數(shù)值模擬來(lái)確定換能器的安裝方式，能有效地提高流量測(cè)試精度，從而為大型低揚(yáng)程泵站提供一種簡(jiǎn)便可靠，且具有較高精度的流量測(cè)試新方法.

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