单声道超声水表测量特性校正方法的研究

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1、单声道超声水表测量特性分段校正方法的研究1、221姚灵王让定左富强（1.宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211；2.宁波水表股份有限公司，浙江宁波315032）摘要当管道内流体处于不同雷诺数测量条件时，超声水表的线平均流速vl与面平均流速vs之间存在着显著的非线性。本文在分析研究基础上提出了一种分段流量测量特性校正新方法，使校正精度和效率均有明显提高。校正方法是：根据管道内被测流体介质流动分布状态不同，在其临界处设立校正分界点。层流时，采用常系数校正；湍流与过渡流时，分别采用拟合直线方程校正。经实验验证，该方法是可行的。关键词超声水表传播时间差法测量特性校正

2、方法中图分类号：TH814.92文献标识码：A文章编号：随着水流量传感与信号处理技术的快速发展以及供排水领域对水流量测量需求的提升，等同采用国际标准的水表产品标准GB/T778.1～3—2007已将水表产品门类从传统机械水表拓展至适用于电或电子原理以及机械原理带电子装置的各类水表。超声水表是电子水表的一种主要形式，近年来在产品性能不断完善基础上已逐步投入市场应用。水表的主要特点是流量测量范围宽，使用环境恶劣，对电子水表而言还须电池供电等。因此，超声水表除了应有很强的环境适应能力和采用微功耗设计外，还必须保证在极宽的流量测量范围内（如R=250～500）使其测量准确度符

3、合标准要求。超声水表由于存在声道线平均流速vl与管道面平均流速vs之间的非线性关系，使仪器自身具有的线性测量特性与在实流条件下的测量特性之间随着被测管流雷诺数变化（即管内流速分布变化）而出现很大差异，导致超声水表实际使用时的测量特性出现显著的非线性。分析研究并采取行之有效的特性校正策略，是超声水表实现高准确度、宽测量范围、高效率校正所必须的前提。传播时间差法是超声水表目前采用的主流测量方法，其线平均流速的测量表达式为tDvM;Mltt2sincos（1）1221式中t1-2—超声波正向传播时间；t2-1—超声波逆向传播时间；Δt—超声波正

4、、逆向传播时间差；vl—流体轴向线平均流速;D—超声水表测量管内径；φ—超声波传播方向与流体轴线间的夹角；M—常数，仅与测量管的加工、装配精度有关。11测量特性分析通常情况下，封闭管道采用面平均流速作为水表流量测量特性校准与测量误差评判依据。由于超声水表测量得到的线平均流速vl与管内实际分布的面平均流速vs在不同雷诺数Re条件下的关系复杂，因此在整个流量测量范围内两者呈现出了明显的非线性，见图1。图1产生非线性测量特性的主要原因是：流速处于充分发展管流条件下，随着流速由慢至快，即雷诺数由小到大，管道内的流速会经过层流、过渡流、湍流等不同流动区域。当雷诺数Re≤2000

5、时,管内流速呈层流状态，其分布为抛物面状，见图2；当流速较高，即雷诺数Re≥4000时，管内流速逐步呈湍流状态，其分布为指数面状，见图3；当雷诺数介于这两者之间时，即2000＜Re＜4000，管内流速处于过渡流状态，其分布由抛物面状向指数面状逐步变化，且分布不稳定。1vvsmax2图2222nvvsmax(2n1)(n1)图31）层流流动时，管内流体的流速分布可用下式表示，2rvv1（2）xmaxR式中vx—离管中心距离为x处的流速；vmax—管中心处的最大流速；R—测量管内半径；r—离管中心的径向距离。此时管内的面平均流速v为

6、sRq2rvdrvv0xs2SR（3）2Rr2rv1dr0maxRRv2/21maxv22maxRR2式中qv—管道截面的体积流量；S—管道截面的面积。线平均流速vl为2RrRv1dr2vdr0maxR2x0vv（4）lmax2RR3由式（3）和（4）解得，3vv（5）sl4因此在层流状态下，超声水表测得的线平均流速与面平均流速之间的比例系数k1为v4lk（6）1v3s2）湍流状态下，其流速分布可用下式表示31/nrvv1（7）xmaxR式中n—随Re

7、的不同而变化的系数。与层流相比，湍流状态下流速分布仍以管道中心轴线为对称并呈指数面状分布，其流速分布是雷诺数的函数。湍流状态下，管道截面的平均流速v为s1/nrrr2rv1drq2rvdr0maxvv0xRs22SRR（8）22nvmax(2n1)(n1)其线平均流速vl为1/nrrrv1dr2vdr0maxnv0xRv（9）lmax2RRn1从式（8）和（9）可以解得2nvv（10）sl2n1因此在湍流状态，线平均流速与面平均流速之间的比例系数k3为v2n1lk（11）3v2