近年來，時(shí)差式超聲波流量計(jì)測流技術(shù)有了很大的發(fā)展，并在水電站行業(yè)的現(xiàn)場測試中有了較好的應(yīng)用。這是由于水電站一般有較長的直段輸水管道，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)近年來在泵站現(xiàn)場測試中有一些應(yīng)用，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數(shù)以降低現(xiàn)場測試的工作量和測試成本，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)我國大型低揚(yáng)程泵站的建設(shè)和管理水平。
筆者采用兩款超聲波流量計(jì)與高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)流量測試設(shè)備來進(jìn)行對比測試研究，得到其模型測試誤差，從而為提高大型低揚(yáng)程泵站流量的測流精度，找到有效的方法。
1 時(shí)差式超聲波流量計(jì)測流技術(shù)
應(yīng)用超聲波流量計(jì)常用的測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。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，通過測量超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來間接測量流體的流速，再通過流速及斷面情況來計(jì)算流量[7，8]。
2 流量對比測試
2.1 試驗(yàn)臺(tái)與測試設(shè)備
對比測試在揚(yáng)州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)為一個(gè)立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，如圖2所示，效率測試系統(tǒng)綜合誤差為±0.39%。該試驗(yàn)臺(tái)于2001年9月通過由江蘇省組織的鑒定，并于2004年通過國家計(jì)量論證評審。試驗(yàn)臺(tái)流量測試設(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，對兩款時(shí)差式超聲波流量計(jì)與試驗(yàn)臺(tái)流量測試設(shè)備進(jìn)行了對比測試。流量計(jì)1采用10對換能器，流量計(jì)2采用8對換能器，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)相對較好的進(jìn)水流道內(nèi)安裝換能器，并對安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化。
2.3 對比測試結(jié)果
試驗(yàn)時(shí)以試驗(yàn)臺(tái)DN400型電磁流量計(jì)的測試值作為標(biāo)準(zhǔn)值，測試范圍為（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*高效率點(diǎn)流量）。對比測試時(shí)，對每個(gè)流量點(diǎn)均進(jìn)行了3次重復(fù)測量。表1為流量計(jì)1和流量計(jì)2單點(diǎn)測試數(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)對比測試的誤差計(jì)算，其中優(yōu)良誤差為流量計(jì)測試值與試驗(yàn)臺(tái)測試值之差，相對誤差為優(yōu)良誤差與試驗(yàn)臺(tái)測試值之比，表中流量測試值均為3次測量的平均值。
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%，*大相對誤差分別為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的流量測量精度更高，穩(wěn)定性更好。
3 結(jié)論
近年來，在國內(nèi)開始應(yīng)用的時(shí)差式超聲波流量計(jì)，其流速測量保證精度一般為±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.即使考慮到換能器安裝、過流斷面積測量等方面的因素，現(xiàn)場測試精度仍可望控制在±1.5%以內(nèi)，可以滿足泵站現(xiàn)場測試的需要。筆者的其他研究還表明，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，不僅可以優(yōu)化超聲波流量計(jì)換能器的安裝位置，提高測試精度，還可對換能器的安裝對數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到減少測試用換能器的數(shù)量、減小安裝工作量和測試費(fèi)用的目的。
時(shí)差式超聲波流量計(jì)具有安裝簡單、抗*力強(qiáng)、阻力損失小等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)流量的在線測量。研究表明，通過對大型低揚(yáng)程泵站進(jìn)水流道進(jìn)行三維紊流數(shù)值模擬來確定換能器的安裝方式，能有效地提高流量測試精度，從而為大型低揚(yáng)程泵站提供一種簡便可靠，且具有較高精度的流量測試新方法。
