表后彎管對超聲波熱量表計量性能的影響

 引言

       隨著我國北方供暖方式的改革，熱量表已迅速進(jìn)入居民家庭。隨著節(jié)能環(huán)保要求的提高，我國正在逐步推廣熱計量收費，凡使用集中供熱設(shè)施的城鎮(zhèn)新建公共建筑和居民住宅，都必須設(shè)計、安裝具有分戶計量和室溫調(diào)控功能的采暖系統(tǒng)，現(xiàn)有公共建筑和居民住宅也要進(jìn)行分戶計量改造。目前使用較廣的熱量表計就是超聲波熱量表。超聲波熱量表一般對前后直管段有嚴(yán)格要求，在供熱計量改造工程中，由于各種復(fù)雜條件的限制，時常有不能滿足超聲熱量表后直管段安裝要求的情況發(fā)生。本文針對此種情況，設(shè)計DN50彎管段，利用大口徑熱水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，測試表后彎管段對兩種超聲波熱量表流量傳感器的影響。

    1 超聲波流量測量原理

       熱量表由流量傳感器、配對溫度傳感器和計算器三部分組成。流量傳感器為超聲流量計的熱量表稱為超聲熱量表。熱量表的流量測量準(zhǔn)確度直接影響到超聲波熱量表的計量性能。超聲波流量測量一般采用時差法計算流體的流速。時差法的測量原理見圖1。

圖1 時差法超聲波流量測量原理圖

    1.1 流速方程式

    如圖1所示，超聲波逆流從換能器1到換能器2和返程的傳播速度分別為：

        （1）

        （2）

    式（1）減式（2），變換之，得

        （3）

    式中，L為超聲波傳播路徑長度；X為傳播路徑的軸向分量；t_d、t_u為從換能器1到換能器2和從換能器2到換能器1的傳播時間；c為超聲波在靜止流體中的傳播速度；Vm為流體通過換能器1、2之間聲道上平均流速。

    1.2 流量方程式

      時差法所測量和計算的流速是聲道上的線平均流速，而計算流量所需是流通橫截面的面平均流速。二者是不同的，差異取決于流速分布狀況。因此，必須對流速分布進(jìn)行補償。體積流量Q為：

        （4）

      其中，K為流速分布修正系數(shù)，D為管道內(nèi)徑。對于本文試驗用的彎管段，主要影響流量測量段的尾流區(qū)。

    2 檢測過程

       選取計量性能較為穩(wěn)定的兩種DN50超聲波熱量表，利用大口徑熱水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，進(jìn)行表后豎直彎管、水平彎管和直管段的流量測量對比試驗。第一種為表長30cm、十字導(dǎo)流片、縮徑設(shè)計的超聲波熱量表，第二種為表長20cm、十字導(dǎo)流片、縮徑設(shè)計的超聲波熱量表。根據(jù)熱量表說明書，將相應(yīng)的溫度傳感器插入表體，進(jìn)行超聲波聲速實時溫度修正。圖2為表后彎管流量檢測試驗圖。

圖2 彎管流量檢測試驗

    采用靜態(tài)質(zhì)量法標(biāo)定，在三種表后管段的條件下，選取0.6m³/h、1.5m³/h、4.5m³/h、15m³/h、25m³/h五個流量點，對超聲波熱量表進(jìn)行流量總量檢測，計算其示值誤差。在檢測過程中，調(diào)節(jié)流量點誤差在±5%以內(nèi)，檢測時間為2分鐘，每個流量點檢測3次，測試結(jié)果如下。每個點的檢測結(jié)果取3次檢測的平均值。

表1 第一種超聲波熱量表流量示值誤差

表2 第二種超聲波熱量表流量示值誤差

    3 檢測結(jié)果分析

       第一種超聲波熱量表在三種表后管段情況下，流量計量性能穩(wěn)定。三種表后管段情況下小流量點的流量差異相對較大，但均在誤差限范圍內(nèi)。在每個流量點，表后直管段、水平彎管、豎直彎管的流量示值誤差有依次降低的趨勢。隨著流量點的增大，檢測結(jié)果差異越小，每個檢測流量點的重復(fù)性均較好。

      第二種超聲波熱量表與第一種熱量表相比，趨勢一致。在每個流量點，表后直管段、水平管段、豎直管段的流量示值誤差也是依次降低的趨勢。區(qū)別在于第二種熱量表的每個流量點，表后直管段、水平管段、豎直管段的流量檢測結(jié)果差異比第一種熱量表要大，且重復(fù)性比第一種超聲熱量表差一些。

       由以上結(jié)果可以看出，表后彎管對超聲波熱量表的流量測量有一定影響。原因在于彎管改變了超聲波熱量表測量流場的尾流區(qū)，從而改變了截面流速分布，而流速分布系數(shù)K是針對直管段的修正系數(shù)，因此造成了超聲波熱量表流量測量在三種管段下的差異。

      表體結(jié)構(gòu)對超聲波熱量表的流量測量有重要影響。為了使流場穩(wěn)定，超聲波熱量表的表體一般會采用表體加長、縮徑、加整流裝置等結(jié)構(gòu)方式。但縮徑和表前整流裝置會增加管道的壓力損失。從本文試驗可以看出，表體較長的超聲波熱量表，受尾流影響較小，在三種表后管段的情況下，流量測量結(jié)果差異小，重復(fù)性較好。

    4 結(jié)論

       本文試驗證明，表后彎管會降低超聲波熱量表流量測量的示值誤差，表后豎直彎管的影響比水平彎管的影響大一些。因此，在施工中不能滿足后直管段的安裝要求時，盡量選擇表體較長、帶有整流裝置的超聲波熱量表，可以保證熱表良好的流量計量性能。