[發明專利]一種基于靜水拖曳的超聲時間溯源方法

有效

• 申請號: 202011112833.9
• 申請日: 2020-10-16
• 公開（公告）號: CN112254791B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 劉源;胡鶴鳴
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: G01F25/10
• 分類號: G01F25/10
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 苗青

一種基于靜水拖曳的超聲時間溯源方法，屬于流量計量領域。針對超聲流量測量、校準中的時間差量值，以標準的拖曳速度作為參考值，提供一種有效的溯源方法。根據流量測量裝置中，超聲探頭的幾何參數配置，在拖曳水槽中將該對探頭掛載在具有相同聲道長度和角度的板形夾具上，并在標準拖曳水槽上進行實驗，得到超聲探頭測量的時間差和標準裝置測量的流速，根據水中平板邊界層理論解或經驗解，對流速損失量進行修正，根據流速公式可以得到標準時間差，通過對比測量值和標準值，完成時間差的溯源。本發明適用于流量計量領域，可作為大口徑管道流量校準能力保障。

技術領域

本發明屬于流量計量領域，針對超聲流量測量、校準中的時間差量值，以標準的拖曳速度作為參考值，提供一種基于靜水拖曳的溯源方法。

背景技術

大口徑管道流量計廣泛應用于引水調水，城市供水供熱等工業領域，其測量的準確性對流量結算有著重要意義。流量計的準確性需要通過校準來保障。由于拆裝困難，現場校準通常采用超聲測流裝置。超聲時差法通常由多條聲道構成，具有安裝方便、測量準確度高的優勢。

超聲時差法是通過各聲道高度上相對的超聲探頭所獲流速的合理積分，獲得流量的一種測量方法。這種測量方法具有作為標準，為現場流量測量裝置提供校準的能力。其誤差來源主要包括超聲傳感器安裝和測量的幾何量(聲道長度、聲道角度)精度，時間量(傳播時間、時間差)測量的準確度，以及積分模型的準確度。其中，流速是由幾何量與時間量共同合成的。時間差是由一對分別在上游和下游的超聲探頭，測量的發射和接收信號所用時間的差，是通過超聲探頭記錄波形，并根據優選合適的波形算法獲得的。常用的算法有互相關法，以及上下游測量傳播時間的差。流量Q的計算公式如式(1)所示。其中，v_i為每個聲道的平均流速，ω_i為每個聲道的權重系數，R為管道半徑，L_i為每個聲道的長度，為每個聲道的角度，t_u,d和t_d,u分別代表上下游的傳播時間，Δt_i為每個聲道的時間差。

本發明的設計思想是，將流量校準裝置中單一聲道，作為流速測量裝置，在實驗室中進行溯源。由于合成流速的幾何量可以通過精密幾何測量裝置獲得，并且幾何量固定時，傳播時間的變化量可以忽略不計，因而可以通過流速校準的方式，將時間差溯源到標準速度上。國內和國際普遍認可的流速校準方法為靜水拖曳法，這種方法的優勢是流場較為穩定，更容易獲得良好的重復性。采用靜水拖曳法校準流速與管道超聲流量裝置單個聲道的主要差異包括：1、拖曳實驗后由于結構與水的作用，會形成一定殘余流速，并疊加在下一次測量中；2、水流經固體表面時形成一層流速偏低的薄層，稱為邊界層。管道中的邊界層常計入積分模型；平板拖曳校準時的邊界層問題，是流體力學的經典問題，其邊界層厚度可以通過理論解或其他研究者測量的經驗解進行描述。

發明內容

本發明所要解決的問題是，在現場采用超聲校準裝置對管道流量計進行校準后，時間差的量值溯源問題。現場的大口徑流量計校準時，由于難以停水，并且管道拆卸也較困難，因此大多不能拆卸送到實驗室校準，只能采用現場校準的方式。超聲流量校準方法，只需在現場管道中留有探頭安裝位置，流量的標準值取決于探頭安裝的幾何參數、積分模型和時間量的測量，是具有分別溯源能力的。目前還缺乏有效的時間差溯源方法，溯源鏈條不完整，本發明所提及的方法將有助于補充溯源鏈條的完整性。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于靜水拖曳的超聲時間溯源方法，所述超聲時間溯源方法以速度為中間量，對超聲時差法流量校準中，各聲道的時間差進行量值溯源，過程如圖1所示，包括以下步驟：

第一步，記錄超聲時差法流量裝置每對探頭的聲道長度L和聲道角度校準時管道中的流速范圍，以及校準時選用的激勵頻率和傳播時間、時間差算法，并將超聲探頭帶回拖曳水槽實驗室。