CN102538913B - 单声道超声水表流量测量特性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单声道超声水表流量测量特性校正方法，包括以下步骤：1）分别计算出雷诺数为层流状态上限值、湍流状态下限值、水表流量测量上限时的面平均流速；2）根据现有已知校准方程计算出与面平均流速相对应的线平均流速；3）建立层流状态、过渡流状态、湍流状态时的拟合直线校正方程；4）超声水表测得的线平均流速，比较与V₁以及V₂，根据比较结果按照合适的拟合直线校正方程进行校正。本发明通过在不同流速分布状态下设置简便的线性校正方程对超声水表的流量测量特性进行校正，计算简单快捷，而且在实流状态下只要进行2～3个流量点微调，即可满足超声水表在整个流量测量范围内的测量准确度要求，可以达到既简便又准确的效果。

Description

单声道超声水表流量测量特性校正方法

技术领域

本发明属于家庭户用水表计量检测的技术领域，具体地说涉及一种单声道超声水表流量测量特性校正方法。

背景技术

目前国内外在用的水表95%以上是机械水表。机械水表的测量准确度最高只能达到2级水平，而且水表的流量测量特性弯曲、不可调整，只能通过设计、制造来保证。由此会给产品质量保证以及生产制造等环节带来了较大的影响。

随着谈水资源的日益紧缺，国内外水表标准、供水企业和广大用水户均希望水表的测量准确度和使用特性要有明显提升。而代表水表产品发展方向的新一代水表――电子水表（如：超声水表、电磁水表、射流水表等）便应运而生。超声水表是一种很有发展前景的电子水表，它具有测量范围宽、始动流量小、测量准确度高、压力损失低、无运动机械部件、耐久可靠、自带嵌入式计算机、可以方便特性校正等特点，并且测量准确度已能达到1级以上水平。

超声水表测量得到的管内流体的线平均流速v与实际计量用的面平均流速v_D之间需要进行校正后方能得到准确的测量结果。校准的依据是管道内流速的分布状态，而流速的分布状态是随管内流体雷诺数的变化而改变，大致可以为三个区域：层流状态、湍流状态和过渡流状态，这样就增加了超声水表流量测量特性校正的困难度。

目前通行的做法是：将流量测量范围内分成有限个校正段，并对这些段给以不同的校正系数分别予以校正。这样做虽能保证这些校正点的测量准确性，但在校正点以外的测量段内就会出现较大的误差，尤其在每个段的两端会出现误差的最大值。如要使校正段的两端误差有所缩小，就必须将超声水表在流量测量范围内的特性分成很多段，分别实施校正，这样做的结果是：由于校正点过多，造成校正效率低下，不能满足批量生产的需要。而且，对湍流状态下的校正，由于涉及到对数运算等复杂数学公式，导致超声水表中嵌入式计算机运算出现困难，实时性变差；而在过渡流状态下由于没有现成的校正方程，测量准确性问题也很大。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种校正简便，校正效率高，能够满足水表测量准确性的单声道超声水表流量测量特性校正方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：单声道超声水表流量测量特性校正方法，其特征在于包括以下步骤：

1）分别计算出水表内水流流速的雷诺数为层流状态上限值时的面平均流速V_D1、水表内水流流速的雷诺数为湍流状态下限值时的面平均流速V_D2以及水表内水流流速的雷诺数为水表流量测量上限时的面平均流速V_D3；

2）根据现有已知校正方程计算出分别与所述面平均流速V_D1、V_D2、V_D3相对应的线平均流速V₁、V₂、V₃；

3）根据V_D1与V₁所确定的点与原点建立层流状态时的拟合直线校正方程，根据V_D1与V₁所确定的点以及V_D2与V₂所确定的点建立过渡流状态时的拟合直线校正方程，根据V_D2与V₂所确定的点和V_D3与V₃所确定的点建立湍流状态时的拟合直线校正方程；

4）超声水表测得的线平均流速v_i，比较v_i与V₁以及V₂，若v_i≤V₁，按层流状态时的拟合直线校正方程进行校正；若v_i≥V₂，按湍流状态时的拟合直线校正方程进行校正；若V₁＜v_i＜V₂，按过渡流状态时的拟合直线校正方程进行校正。

本发明通过在不同流速分布状态下设置简便的线性校正方程对超声水表的流量测量特性进行校正，计算简单快捷，而且在实流状态下只要进行2～3个流量点微调，即可满足超声水表在整个流量测量范围内的测量准确度要求，可以达到既简便又准确的效果。

在本发明中，步骤2）中所述已知校正方程如下：层流状态时的校正方程为

湍流状态时的校正方程为

式中，v_D是管道内面平均流速，v是管道内线平均流速，Re是管道内流体的雷诺数。

在本发明中，步骤3）中所述层流状态时的拟合直线校正方程为

所述过渡流状态时的拟合直线校正方程为v_D=-b₂+k₂v，所述湍流状态时的拟合直线校正方程为v_D=-b₃+k₃v，式中，v_D是管道内面平均流速，v是管道内超声水表实际测得的线平均流速。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术措施还包括：

在实流条件下对三个流速分布状态下的拟合直线校正方程作进一步微调，调整其截距b或斜率k，使其更符合测量准确度的要求。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明通过在不同流速分布状态下设置简便的线性校正方程对超声水表的流量测量特性进行校正，计算简单快捷，而且在实流状态下只要进行2～3个流量点微调，即可满足超声水表在整个流量测量范围内的测量准确度要求，可以达到既简便又准确的效果。

附图说明

图1为本发明的整体结构原理框架示意图；

图2为代入实际参数时的校正曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

现以测量截面内直径D=0.06m，Q₃=100m³/h的超声水表为例。

设层流区上限值（Re₁=2000）和湍流区下限值（Re₂=4000）为流速分布的两个分界点，则相应的线平均流速分界值为：V₁、V₂。

现取

D=0.06m，υ=1.007×10^-6m²/s(t=20℃)

已知

Re=5854Q_v；v_D=0.09824Q_v；Re₁=2000

所以

$v_{D1}=\frac{0.09824}{5854}{\mathrm{Re}}_1\≈0.03356(m/s)$

在层流区，因为面平均流速与线平均流速之间符合下列关系

$v_{D1}=\frac{3}{4}{v}_1$

所以分界点线平均流速V₁为

$v_1=\frac{4}{3}{v}_{D1}=0.04474(m/s)$

同理，在湍流区，

$v_{D2}=\frac{0.09824}{5854}{\mathrm{Re}}_2\≈0.06713(m/s)$

又因为

$v_{D2}=\frac{2n}{2n+1}{v}_2$

所以分界点线平均流速V₂为

$v_2=\frac{2n+1}{2n}{v}_{D2}=0.07274(m/s)$

将V₁、V₂存入超声水表嵌入式计算机的内存中。

校正开始时用标准校验台进行实流测量并校正。将测量台位调到某一面平均流速值v_Di，超声水表测出该流速值下的

通过计算获得

式中Δt为超声波在测量管正、逆向传播的时间差；t₂为超声波在测量管逆向传播时间；t₁为超声波在测量管正向传播时间；

为超声换能器与测量管轴线之间的安装夹角。

接着，判断v_i在哪个流速分布区间，根据不同区间按相应的校正公式进行校正：

v_i≤v₁=0.04474(m/s)，按层流进行校正；

v_i≥v₂=0.07274(m/s)，按湍流进行校正；

v₁=0.04474(m/s)＜v_i＜v₂=0.07274(m/s)，按过渡流进行校正。

校正举例：参考图2，图2为代入实际参数时的校正曲线图。

（1）水表校验台位调到某一面平均流速值，如：v_D=0.05m/s

而超声水表实际测得的线平均流速v_i为0.05845（m/s）。

（2）v_i与V₁、V₂作比较，可知测得的线平均流速正好落在下列区间内，

0.0447m/s＜v_i＜0.07274m/s

因此可以判断为过渡流状态。

（3）现用过渡流校正方程进行校正，见下式

V_D=-0.02008+1.1989v_i

（4）校正后，超声水表实际得到的准确面平均流速为：

V_D=-0.02008+1.1989v_i=0.0499957

Claims (4)

1.单声道超声水表流量测量特性校正方法，其特征在于包括以下步骤：

1）分别计算出水表内水流流速的雷诺数为层流状态上限值时的面平均流速ν_D1、水表内水流流速的雷诺数为湍流状态下限值时的面平均流速ν_D2以及水表内水流流速的雷诺数为水表流量测量上限时的面平均流速ν_D3；

2）根据现有已知校正方程计算出分别与所述面平均流速ν_D1、ν_D2、ν_D3相对应的线平均流速ν₁、ν₂、ν₃；

3）根据ν_D1与ν₁所确定的点与原点建立层流状态时的拟合直线校正方程，根据ν_D1与ν₁所确定的点以及ν_D2与ν₂所确定的点建立过渡流状态时的拟合直线校正方程，根据ν_D2与ν₂所确定的点和ν_D3与ν₃所确定的点建立湍流状态时的拟合直线校正方程；

4）超声水表测得的线平均流速ν_i，比较ν_i与ν₁以及ν₂，若ν_i≤ν₁，按层流状态时的拟合直线校正方程进行校正；若ν_i≥ν₂，按湍流状态时的拟合直线校正方程进行校正；若ν₁＜ν_i＜ν₂，按过渡流状态时的拟合直线校正方程进行校正。

2.根据权利要求1所述的单声道超声水表流量测量特性校正方法，其特征在于：步骤2）中所述已知校正方程如下：层流状态时的校正方程为 $v=\frac{4}{3}{v}_D,$ 湍流状态时的校正方程为

式中，v_D是管道内面平均流速，v是管道内线平均流速，Re是管道内流体的雷诺数。

3.根据权利要求2所述的单声道超声水表流量测量特性校正方法，其特征在于：步骤3）中所述层流状态时的拟合直线校正方程为

所述过渡流状态时的拟合直线校正方程为v_D=-b₂+k₂v，所述湍流状态时的拟合直线校正方程为v_D=-b₃+k₃v，式中，v_D是管道内面平均流速，v是管道内超声水表实际测得的线平均流速，k₁，k₂，k₃为斜率，b₂，b₃为截距。

4.根据权利要求3所述的单声道超声水表流量测量特性校正方法，其特征在于：在实流条件下对三个流速分布状态下的拟合直线校正方程作进一步微调，调整其截距b或斜率k，使其更符合测量准确度的要求。

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