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有干扰的电磁流量计干式标定中的疑难问题及解
发布日期:2017-5-15 14:32:52
有干扰的电磁流量计干式标定中的疑难问题及解决方法
  封闭管道式超声波流量计用于开放型梯形明渠计量电厂回水消耗水量在我省尚属首例。2002年10月,辽宁清河发电有限责任公司在回水明渠由安装三组韩国昌民公司生产的5声道超声波UR2000流量计及UR1000水位计,用以计量电厂回水消耗水量。流量计、水位计自安装运行以来,我们发现明渠耗水量很小,甚至出现消耗为负值的不合理情况。为此,我们依照《检定规程》,参照昌民公司提供的有关数据进行了大量的研究、计算和分析,经过辽宁省计量院先后多次标定以及参考运行情况,在确定流量计设备不确定度过程中,仍有许多疑难问题值得提出和总结,有待进一步探讨和研究。
管道式超声波流量计
      2 干式标定及其主要内容
      超声波流量计原理采用时差法测量明渠各层面平均流速,求出流速分布曲线。根据水位计测得的水位来计算梯形明渠端面积,进而得出其流量。
      在明渠上,以超声波明渠流量计的原理和流体力学理论为基础,将各测量参数在外部测量,把各测量参数的误差综合来决定误差,这种间接测量流量计的误差的方法,叫干式标定。干式标定与传统实流标定不同,可以在不停止流动的情况下,在线对流量计误差进行标定。
      干式标定不确定度计算内容主要有:
      ① 线流速测量不确定度,包括时间测量不确定度、声道长度测量不确定度以及声道角度测量不确定度。
      ② 端面积测量不确定度,包括渠端面轮廓测量误差和测量水位时产生的水位测量误差。
      ③ 不同流速分布下的不确定度,在多声道工作状态下(3个以上),能够再现流速分布,依据多面平均法计算,或依据平均端面计算流出量时流出量计算不确定度。
      ④ 流量不确定度计算,即每个误差源平方之和的平方根。以此参照流量计性能指标,确定标定等级。
      3 实际标定中的疑难问题
      现场标定中主要存在以下疑难问题:
      3.1 流速分布误差的计算
      流速分布误差在不确定度的计算中起至关重要的作用,直接影响标定的等级。实际流场由于受提水站、明渠端面等诸多因素影响,多以紊流、乱流(旋涡、横流)为主,所以精确地测量出流速分布函数,确定流速分布形态,成为流量计算以及不确定度计算的核心问题。设备安装地址最好选择在流态稳定,上下游直管段要足够长(至少5倍渠宽)。
      3.2 平均端面的确定
      平均端面对不确定度计算也有重要影响。超声波流量计适用于平面规整的明渠水道,经过对安装地址上下游12个端面,取同一水位实际测量时发现,面积误差最大达到7.4%,说明回水明渠并非完全规整平面的渠道,对流速分布有影响。如何确定典型端面,以及将典型端面演算到规整的平均端面是不确定度计算中难点问题。
      3.3 水温对误差计算的影响
      水温对声波传播速度有明显影响。电厂明渠水温在冬夏、上下游,甚至每一天都有较大变化,特别是实际现场,明渠水温与液位测井的水温有较大差别,严重影响了不确定度。究竟温度综合影响有多大,是个疑难问题。
      3.4 传感器探头高出渠壁20cm以上。对流速测量及计算面积的影响
      根据计算,假设为规整渠道,不同水位下,探头未测到部分平均占3.5%,对流量计算有严重影响,而且如何演算到全端面,是个难点。建议传感器座在渠壁内,探头与壁齐平为好。
      3.5 液位计水深与明渠水深存在同步敏感程度的误差
      现场中,明渠水深,在同一时间上,与液位计水深同步变化不同,直接影响流量测量及不确定度计算。
      4 结语
      多声道超声波用于大断面明渠流量测量,现有理论充分,但真正用好测准并不容易,系统误差、人为误差,环境因素的影响,造成不确定度计算的复杂性。通过这次实践,主要体会如下:
      ① 要有一个高效的项目组织体系,从考察、选购、安装、标定到后期维护运行,都需要良好的组织、协调和沟通,保证产品的顺利使用,节约时间和财力。
      ② 要根据测量对象及现场实际情况有针对性地制定测量方案,才有可能达到测量目的,满足测量要求。
      ③ 选准测量位置,要充分保障测量点上下执行段的长度,以保证测量点流态稳定。
      ④ 精确校准测量系统各通道的传输延迟时间,正确设定测量系统内部参数。
      ⑤ 精确测量执行渠道断面的几何参数,换能器的安全位置,牢固安装水下设备。
      水,作为一种商品,准确计量有利于节约用水和促进国民经济的发展,正确地选择计量仪器,准确地确定误差,对于水计量有重要的意义。在封闭管道式超声波流量计用于开放型梯形明渠中,上述出现的疑难问题,有的已经解决,有的仍需要进一步探讨和研究。
 
 
解上述方程组得
式中 c、d——积分常数,由边界条件确定
假定圆筒是经过切削加工而成的。在加工圆筒的外圆或内孔时,刀尖作用在工件上的切削力可以分解为沿工件圆周切线方向的分力ft、沿工件轴向切削 分力fz以及沿工件径向的分力fr。在切削力的作用下,工件表层材料在圆周方向、轴向和切向都将产生变形,当切削力去除后,这些变形不能完全恢复,因而加 工后在工件表层产生残余应力。因此,经切削加工的圆筒零件,表层残余应力理论上应为三向应力,可以将其表示为圆周切向应力σθ、轴向应力σz与径向应力 σr。切削方法不同,各切削分力之间的比例关系也不相同,如在车削或磨削圆柱面时,切向分力ft比轴向分力fz大得多,一般ft=(2~3)fr。由于切 削分力的比例关系不同,引起的残余应力之间的比例关系也不相同。在一般情况下,特别是当圆筒的壁厚较薄时,径向残余应力σr很小,而圆周方向的残余应力 σθ是主要的,因此,在利用边界条件确定公式(8)~(11)的积分常数c和d时,为简化计算,可只考虑圆周方向残余应力σθ的影响。
因圆筒内的应力是平衡的,故各处的应力必然满足式(8)、(11)。设圆筒内、外边界上的圆周向应力分别为σθa、σθb,将r=a时σθ=σθa与r=b时σθ=σθb代入式(9)就可获得边界常数c、d,再将c、d代入(11)式可得圆筒壁内任一点的径向位移u
另外,材料的弹性模量随温度的变化规律可用下式表示
式中 e0——温度为t0时材料的弹性模量,可取t0=0℃
αe——弹性模量的温度系数,普通的金属材料一般为负值,且 e0< 1
若圆筒为等温体,即t(r)=t=常数时,将(13)式代入(12)式并简化得
当r分别为a和b、温度从t1变化到t2时,圆筒内表面的热变形量δua为
式中 δt=t2-t1
从(15)式中可以看出,圆筒径向尺寸的热变形由2部分组成:①由材料的热膨胀产生;②由零件内部的残余应力产生,它的大小与应力的大小、方向及圆筒内外径的尺寸有关。
综上所述,加工过程形成的应力影响机械零件的热变形,而且在了解了应力分布情况下应力对热变形的影响是可以近似估计的。
3 实验数据与结果分析
为了测量机械零件的热变形,设计了一套高精度的热变形测量装置。经分析,在测量圆筒径向尺寸的热变形时,当被测长度不大于100 mm,本装置的测量合成标准不确定度为uc≈0.34μm。用本装置分别测量了由铸铝合金zl110和45号钢加工的多种圆筒形零件。现选取2组数据进行 分析。
(1)实验1
圆筒由铸铝材料zl110制备,其尺寸:公称外径d=135 mm,公称内径d=15 mm,零件在铸造后经切削加工而成。圆筒内径在不同温度下的尺寸测量值见表2所列。
根据表2,当温度从0.12℃变化到49.77℃时,圆环内径从13 577.24μm变化到13 589.66μm,热变形的实际测量值为12.42μm。但根据表1,zl110材料的线膨胀系数为22×10-6/℃,按照公式 (1),热变形量的 计算值为16.47μm,计算值与实验结果相差4.05μm。
(2)实验2
圆筒由45号钢制备,公称外径d=135 mm,公称内径d=15 mm,零件在铸造后经切削加工而成。圆筒内径在不同温度下的尺寸见表3所列。
根据双频激光干涉仪的读数及电感测头的热变形,零件内径在5.13~45.12℃间的热变形为19.99μm。取钢的线膨胀系数 11.6×10-6/℃,按照公式(1)计算,热变形量为23.16μm,公式计算与实验相差3.17μm。上述实验测定与公式计算的结果相差较大,说明 了机械零件的热变形远比材料的热膨胀复杂,证明了上述多种因素对机械零件的热变形的影响。
根据上述的因素分析,机械零件的受热变形除了受材料热膨胀的影响之外,还受到其它5种因素的影响;根据实验对比,由于这些因素的影响,零件的热 变形与材料的简单热膨胀相差很大,因此对于精密测试与精密加工,尤其超精加工与纳米技术,这些因素的影响是不可忽略的,必须根据实际情况消除这些因素的影响。