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Uncertainty Evaluation for Flow Rate Measurements of Hydraulic Turbines Based on the Ultrasonic Transit Time Method
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摘要: 流量是水轮机绝对效率评价的关键要素，不确定度是评定流量的重要指标。对比了典型的水轮机流量测量方法，针对其中超声传播时间法的不确定度评定问题展开了研究。采用全站仪建立精确的管道三维模型，并通过测量探头与管道的相对位置关系，实现了几何参数的校准，获得了良好的不确定度水平；结合对超声传播时间量和流量积分的合理估计，给出了超大口径流量测量不确定度评定方法，对超大口径流量计不确定度评定提供了有益的补充。Abstract: The flow rate is the key parameter for evaluating the absolute efficiency of a hydraulic turbine. This paper reviews typical turbine flow measurement methods and studies the uncertainty evaluation for the ultrasonic transit time method. The total station was used to establish the accurate 3D model of the pipeline, and the geometric parameters were calibrated by measuring the relative position between the probe and the pipeline, then good uncertainty results were obtained. With a reasonable estimation of the ultrasonic transit time and flow rate integral modal, the uncertainty evaluation method for flow rates of super large calibers is given.
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图 2 几何参数测量软件界面
Figure 2. Graphical user interface of the geometric parameter measurement software
表 1 典型水轮机效率测量方法
Table 1. Typical hydraulic turbine efficiency measurement method
方法 原理 安装方法 使用特点 流速仪法 通过转子式流速仪测量点流速 将流速仪架起在钢管内 受水冲击大，可短期检测 压力-时间法 利用水锤现象，依赖于钢
管压力与流速的关系在管道内壁贴附
压力探头机组甩负荷运转影响
机械性能，应用较少热力学法 根据能量守恒原理，依赖
于水温变化与流速的关系在水轮机进出水口安装温度计 依赖于快速、高精温度计 超声传播时间法 通过记录超声波传播时间
得到线流速，积分得流量采用插入或内嵌的方
式安装在钢管内壁可长期观测 
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表 2 管段半径的测量结果
Table 2. Measurement results of section radius
内容 校准结果 测次1 测次2 测次3 均值 半径/mm 3247.5 3252.5 3247.8 3249.3 标准偏差/mm 7.6 6.2 7.0 6.9
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表 3 声道几何参数测量结果
Table 3. Measurement results of geometrical parameters of sound paths
声道编号 声道长度/mm 声道角度/° 相对声道高度 校准值 重复性 示值误差 校准值 重复性 示值误差 校准值 重复性 A1 4102.8 0.02% 8.2 64.98 0.08% 0.03 −0.81 0.06% A2 6805.0 0.01% −7 64.98 0.09% 0.01 −0.31 0.14% A3 6791.7 0.01% 15.3 64.99 0.08% −0.01 0.31 0.16% A4 4110.7 0.03% −5.7 65.10 0.22% −0.13 0.81 0.26% B1 4099.6 0.01% 16.4 65.05 0.09% 0.01 −0.81 0.08% B2 6807.1 0.02% −30.1 65.05 0.12% 0.00 −0.31 0.12% B3 6775.2 0.01% 36.8 65.10 0.14% −0.05 0.31 0.21% B4 4115.6 0.01% −17.6 65.13 0.12% −0.05 0.81 0.16%
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表 4 几何参数测量结果的不确定度
Table 4. The uncertainty in geometric parameter measurement results
不确定度来源 声道长度 声道角度 相对声道高度 合成 重复性 0.02% 0.13% 0.01% / 全站仪 0.05% 0.05% / / 探头对准 / 0.05% / / 合成 0.06% 0.17% 0.01% 0.18%
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表 5 流量测量不确定度
Table 5. The uncertainty in flow rate measurements
不确定度来源 量值 不确定度 相对不确定度 几何参数 声道长度/mm 4100 0.06% 0.06% 声道角度/° 65 0.17% 0.17% 声道高度 0.01% 0.01% 超声传播时间 传播时间差/ns 6450 5 0.03% 传播时间/μs 2800 0.5 0.02% 现场数据质量 0.04% 流量积分模型 / / 0.75% 合成流量扩展不确定度(k=2) / / 1.55%
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