DB11∕T2310-2024大口徑輸水管涵流量監(jiān)測規(guī)程 超聲傳播時間法

大口徑輸水管涵流量監(jiān)測規(guī)程超聲傳播時間法Codeforfluidflownnitoringoflargedianeterwat2024-09-23發(fā)布2025-01-01實施I 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14符號 35測量原理 36監(jiān)測方案設(shè)計 47現(xiàn)場安裝調(diào)試 68測量不確定度評價 79原始數(shù)據(jù)診斷分析 9附錄A(規(guī)范性)權(quán)重系數(shù) 附錄B(資料性)三維坐標法幾何參數(shù)測量 本文件按照GB/T1.1-2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定本文件由北京市水務(wù)局提出并歸口。本文件由北京市水務(wù)局組織實施。本文件起草單位：北京市河湖流域管理事務(wù)中心、北京市水資源調(diào)度管理事務(wù)中心、北京市水文總站、北京市南水北調(diào)環(huán)線管理處。本文件主要起草人：楊卓、宋磊、張會敏、王彥強、王振宇、杜龍剛、孫鳳剛、張可欣、于京波、季明鋒、張濤、葛暉、楊子超、肖穎、陳鵬、張輝、劉超、張欣、張祿東、李偉、馮濤、常鵬、胡曉斌。1大口徑輸水管涵流量監(jiān)測規(guī)程超聲傳播時間法1范圍本文件規(guī)定了采用接觸式超聲傳播時間法測流裝置(以下簡稱測流裝置)的大口徑輸水管涵流量監(jiān)測的測量原理、監(jiān)測方案設(shè)計、現(xiàn)場安裝調(diào)試、測量不確定度評價以及原始數(shù)據(jù)診斷分析等內(nèi)容及要求。本文件適用于斷面為封閉的圓形、矩形或異型有壓流道，直徑或等效直徑不小于DN800的大口徑輸水管涵流量監(jiān)測。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T35717水輪機、蓄能泵和水泵水輪機流量的測量超聲傳播時間法JJF1001通用計量術(shù)語及定義JJF1358非實流法校準DN1000～DN15000液體超聲流量計校準規(guī)范3術(shù)語和定義JJF1001界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。超聲傳播時間法ultrasonictransit-timnthod利用超聲波在水體中逆流傳播時間與順流傳播時間之差求出聲道流速，利用聲道與流道軸線的投影關(guān)系求出聲道軸向流速，通過積分算法計算面平均流速，進而由面平均流速與面積的乘積得到流量的方法。超聲傳播時間法測流裝置dischargemastreaatsviceofultrasonictrasit-timemthod采用超聲傳播時間法進行流量測量的裝置。矩形或異形斷面流道按相同面積的圓形流道換算得到的直徑。超聲換能器ultrasonictransdcer測流裝置中利用壓電陶瓷來實現(xiàn)電輸出和機械振動輸出相互轉(zhuǎn)換的部件，亦稱超聲探頭。內(nèi)貼式超聲換能器built-intransducer2以下為負值，正好過流道中心為零。相對聲道高度為聲道高度與半徑(圓形流道)或半高(矩形流道)超聲換能器凸出高度與圓形流道斷面直徑(或矩形流道斷面寬度或其它異形流道等效直徑)之比。34符號B:矩形流道斷面寬度，單位為m。H:矩形流道斷面高度，單位為m。t:聲道i的逆流傳播時間，單位為s。ta:聲道i的順流傳播時間，單位為s。Dt:超聲傳播時間差，單位為s。Vm.聲道i的聲道投影流速，單位為m·s1。t:聲道i的相對聲道高度。L:聲道i的聲道長度，單位為m。w:聲道i的權(quán)重系數(shù)。5.1.1測流裝置通過測量超聲在水中傳播的時間來計算流速和流量。如圖1a)所示，一對超聲換能器5.1.25.1.2由式5.1.3超聲換能器安裝時通常會凸出于流道邊壁，如圖1a)所示。對于超聲換能器凸出比大于等于4a)聲道軸向流速的測量b)用多個聲道積分計算流量圖1超聲傳播時間法原理示意圖5.2管涵流量的計算5.21測流裝置在不同的聲道高度平行布置若干聲道，來測量聲道軸向流速并計算流量，如圖1所示，宜采用相對聲道高度t,=d,/R(圓形流道)、t,=d,/(H/2)(矩形流道)來表征聲道的安裝位置，其中圓形流道也可采用聲道高度角a,=arcsint,來表征聲道的安裝位置。超聲換能器應(yīng)嚴格按照表A.1中的相對聲道高度進行安裝。5.22圓形流道的流量計算宜采用圓形優(yōu)化積分法(OwCS),也可采用高斯-雅可比積分法(Gauss- (3)若令W=w,cosa,,流量計算還可簡化為： 5.23矩形流道的流量計算宜采用高斯-勒讓德法積分法(Gauss-Legendre),也可采用和矩形優(yōu)化積 (5)5.24相同聲道高度布置下，兩種方法的權(quán)重系數(shù)w,應(yīng)符合表A.1的規(guī)定。5.25異形流道應(yīng)采用仿真分析或試驗測試的方法，獲得相對聲道高度和權(quán)重系數(shù)。5.26對于交叉聲道面配置的測流裝置，宜先對各聲道軸向流速進行平均計算聲道層平均流速，再進行加權(quán)求和計算流量。6監(jiān)測方案6.1監(jiān)測位置5測流裝置超聲換能器安裝位置應(yīng)選擇不易淤積的位置，宜遠離擾動區(qū)，包括可能產(chǎn)生速度分布不對稱、旋渦或大范圍紊流的彎曲段，收縮或者擴散段，蝶閥、調(diào)流閥等擾流設(shè)備。a)應(yīng)優(yōu)先選擇規(guī)則的流道位置。在可選圓形流道和矩形流道的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇圓形流道安裝；如現(xiàn)場無法找到可用的圓形或矩形流道，也可在非規(guī)則形狀流道(如漸變方涵、優(yōu)弧弓形涵洞等)安裝，但應(yīng)針對現(xiàn)場流道定制流速代表性模型。b)測流裝置的前后直管段長度宜滿足前10D后3D(前后直管段長度計算時，應(yīng)以所有超聲換能器的中心斷面為參照)。無法滿足以上條件時，測流裝置仍可應(yīng)用，但測量不確定度應(yīng)附加額外的復雜流場影響項，影響項可通過數(shù)值仿真或模型實驗確定。c)應(yīng)考慮現(xiàn)場布線和超聲換能器維護方便，宜選擇具有暴露式管段的流道。已有工程安裝應(yīng)優(yōu)化布線路徑，新建工程應(yīng)設(shè)計合理的布線路徑。6.2測流模型6.2.1測流裝置最低配置要求為雙面交叉四聲道(8聲道),聲道層宜采用水平方向。6.22非漸變管涵聲道角設(shè)計宜在36°~75°范圍內(nèi)，直管段長度較短時宜采用較大的聲道角。漸變管涵宜采用75°以上聲道角。采用大聲道角時，應(yīng)對超聲測流主機的時間差測量能力進行評估。6.2.3超聲換能器應(yīng)精確安裝在設(shè)計的相對聲道高度位置上，應(yīng)按照附錄表A.1中的權(quán)重系數(shù)，加權(quán)求和計算流量。當聲道高度存在較大偏差時，應(yīng)根據(jù)實測的相對聲道高度修正權(quán)重系數(shù)。6.2.4對于異型流道或直管段長度無法滿足6.1節(jié)中的直管段條件時，應(yīng)采用更多的聲道以提高復雜流場條件下的面平均流速準確度，并應(yīng)對流道內(nèi)的流速分布進行仿真分析或試驗測試，以確定最適合的聲道高度和權(quán)重系數(shù)。a)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場流道尺寸、上下游擾流件幾何形狀、超聲換能器及底座安裝結(jié)構(gòu)等，對測流裝置所處流道系統(tǒng)內(nèi)部流場進行仿真，得到測流裝置處流速分布情況，并據(jù)此定制測流裝置在該流場條件下的流速代表性算法。b)應(yīng)利用相似性原理，在流量校準裝置上進行測流裝置的模型試驗，定制流速代表性算法；考慮探頭局部擾流，應(yīng)定制采用相同縮尺比的超聲換能器及其底座。6.2.5測流模型應(yīng)具有合理的聲道缺失補償算法。6.3測流裝置6.3.1測流裝置應(yīng)在測量管段和聲道配置確定的情況下選擇超聲換能器安裝形式。6.3.2超聲換能器有外插式和內(nèi)貼式兩種安裝形式，應(yīng)優(yōu)先選擇外插式。外插式超聲換能器適用于均質(zhì)金屬管道，安裝在流道外壁，配有專用安裝座，可在帶水條件下更換；內(nèi)貼式超聲換能器安裝在流道內(nèi)壁，信號電纜經(jīng)穿纜器引出，安裝和維護時應(yīng)停水作業(yè)。6.3.3在保證信號強度的前提下，應(yīng)優(yōu)先選擇尺寸較小的超聲換能器及安裝座。超聲換能器應(yīng)采用凸出式安裝，避免雜質(zhì)沉積堵塞造成信號大幅衰減。超聲換能器凸出會影響測流裝置的準確度，凸出比越大，引起的測量偏差越大。對于確定的換能器及其安裝座，應(yīng)具有不同管徑下的聲道流速修正實驗數(shù)據(jù)。6.3.4測流裝置主機應(yīng)保證超聲換能器正常發(fā)射和接收超聲脈沖信號并通過有效性檢查，應(yīng)確保超聲脈沖信號在上、下游方向都能被檢測到，且具有適用的信號質(zhì)量。測流裝置主機應(yīng)滿足以下要求：——單臺主機具有至少8聲道測量能力；——超聲傳播時間差的測量精度優(yōu)于1ns;——主機中流量計算模型的權(quán)重系數(shù)應(yīng)開放，且可根據(jù)實測聲道高度進行配置；——具備超聲波形顯示和診斷功能，具有信號質(zhì)量評價指標體系；——具備原始數(shù)據(jù)的存儲和傳輸能力，包括各聲道的流速、聲速、傳播時間、信號強度及質(zhì)量66.35測流裝置應(yīng)具備一定的抗干擾能力，能夠應(yīng)對信號質(zhì)量惡化甚至信號丟失。水中的氣泡、泥沙、雜質(zhì)、環(huán)境噪聲等可能引起超聲信號大幅衰減和失真，超聲換能器和主機應(yīng)具有足夠的信號增益余量。6.4數(shù)據(jù)遠傳6.41應(yīng)采用數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)傳輸，如采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或串口協(xié)議等。6.42應(yīng)傳輸流量、累計水量、各聲道流速、各聲道信號質(zhì)量。6.43應(yīng)采用信息多次采集、滑動平均的方式。6.44應(yīng)采用自報和應(yīng)答的雙向通信機制。7現(xiàn)場安裝調(diào)試7.1超聲換能器定位安裝7.1.1外插式超聲換能器定位應(yīng)參照管道外部特征進行，宜選擇斜插式。內(nèi)貼式超聲換能器定位應(yīng)參照管道內(nèi)部軸線進行。7.1.2超聲換能器定位安裝宜采用全站儀等高精度三維測量設(shè)備輔助定位。7.1.3超聲換能器應(yīng)安裝到預期位置，聲道角偏差應(yīng)不大于2°,相對聲道高度偏差應(yīng)不大于0.05。7.1.4同一聲道的一對超聲換能器宜采用相等長度的線纜。線纜長度存在明顯差異時，應(yīng)進行靜水條件下的零點修正。7.1.5對于內(nèi)貼式超聲換能器，信號電纜護管直徑與流道直徑(或等效直徑)之比宜不大于1:50,沿周長方向的信號電纜護管應(yīng)布置在測量斷面下游側(cè)，且到最近的超聲換能器的距離應(yīng)大于1D.7.1.6超聲換能器及其信號線纜應(yīng)牢固固定。管道內(nèi)部安裝內(nèi)貼式超聲換能器時，宜采用植筋膠和專用錨栓固定，提升長期可靠性；管道外部安裝外插式超聲換能器時，應(yīng)在開孔前進行打壓試漏。7.2幾何參數(shù)測量7.21幾何參數(shù)是測流裝置流量計算模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括管道半徑(矩形流道則為寬度和高度)、聲道長度、聲道角、聲道高度等。7.22幾何參數(shù)測量方法分為流道內(nèi)部測量法和流道外部測量法，應(yīng)優(yōu)先選擇流道內(nèi)部測量法。7.3參數(shù)配置與調(diào)試7.3.1超聲換能器安裝完成后應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場安裝情況，整理確定流量計算模型的參數(shù)，包括：——幾何參數(shù)(見7.2);——權(quán)重系數(shù)：根據(jù)實測聲道高度計算的權(quán)重系數(shù)；——非水介質(zhì)延時：包含電纜延時、超聲換能器延時、主機延時等；——超聲換能器凸出效應(yīng)修正：根據(jù)超聲換能器及其安裝座的凸出比確定。7.32參數(shù)計算完成后，應(yīng)完成以下裝置調(diào)試工作：——根據(jù)主機的操作要求，輸入配置參數(shù)；——有水條件下檢查各聲道的超聲波形是否正常，并記錄各聲道信號強度和質(zhì)量指標；——有水條件下檢查各聲道聲速的合理性和一致性，由溫度換算聲速核查實測聲速的合理性，流動條件下各聲道聲速應(yīng)具有一致性；——流動條件下檢查聲道流速分布的合理性，包括流動分布的對稱性、雙聲道面流速分布的一致——如有明確的靜水條件，應(yīng)在靜水條件下進行零點流速修正。77.3.3首次調(diào)試完成后，應(yīng)出具測流裝置的安裝調(diào)試報告，包括：——裝置參數(shù)配置，包括幾何參數(shù)、權(quán)重系數(shù)、非水介質(zhì)延時信息、超聲換能器凸出效應(yīng)修正信息、零點修正信息；——各聲道超聲波形的圖形表達，以及信號強度和質(zhì)量指標等；——記錄一段時間內(nèi)瞬時流量的波動過程，統(tǒng)計其均值和標準差；——各聲道聲速分布，統(tǒng)計一段時間內(nèi)的均值和標準差；——各聲道流速分布，統(tǒng)計一段時間內(nèi)的均值和標準差。8測量不確定度評價8.1測流裝置在安裝調(diào)試完畢并經(jīng)過試運行后，應(yīng)在安裝調(diào)試報告基礎(chǔ)上，進行測流裝置不確定度評價工作。8.2根據(jù)測流裝置基本原理，其不確定度來源主要包括幾何參數(shù)測量、傳播時間及時間差測量、流速代表性三項，不確定度評價方法應(yīng)符合GB/T35717和JJF1358的相關(guān)要求。8.3各分項分別評估后，按照方和根方法計算測流裝置的總不確定度。測流裝置未達到規(guī)定安裝條件時，流速代表性引入的不確定度難以準確評估，宜采用模型試驗、數(shù)值仿真等方法進行評價。9原始數(shù)據(jù)診斷分析9.1測流裝置投入使用之后，中心站軟件應(yīng)具備數(shù)據(jù)遠程診斷功能，可通過現(xiàn)場的各聲道波形數(shù)據(jù)、流速數(shù)據(jù)等參數(shù)之間的邏輯關(guān)系判定超聲換能器健康狀態(tài)、安裝位置漂移程度等信息。9.2測流裝置應(yīng)在首次全面評價的基礎(chǔ)上，進行定期的原始數(shù)據(jù)跟蹤評價，以確定測流裝置是否處于正常工作狀態(tài)。當發(fā)現(xiàn)異常情況時，應(yīng)及時進行系統(tǒng)維護。9.3原始數(shù)據(jù)診斷和跟蹤評價主要包括：——超聲波形質(zhì)量檢查；——聲速分布的一致性；——流速分布規(guī)律是否變化；——是否出現(xiàn)聲道缺失；——零點是否變化。8(規(guī)范性)權(quán)重系數(shù)圓形流道和矩形流道超聲換能器的典型布置分別如圖A.1和圖A.2所示。尸ddd正視圖圖A1圓形流道雙面交叉四聲道布置換能器d圖A2矩形流道雙面交叉四聲道布置9A.2相對聲道高度及權(quán)重系數(shù)超聲換能器應(yīng)精確安裝在設(shè)計的相對聲道高度位置上，并按照表A.1中的權(quán)重系數(shù)加權(quán)求和計算流量。對于圓形流道，表A.1按照高斯-雅克比積分法給出相對聲道高度和聲道高度角，并分別給出兩種不同積分法在該聲道高度下的權(quán)重系數(shù)；對于矩形流道，按照高斯-勒讓德積分法給出相對聲道高度，并分別給出兩種不同積分法在該聲道高度下的權(quán)重系數(shù)。表A.1相對聲道高度與權(quán)重系數(shù)聲道數(shù)i序號i高度角高斯-雅克比圓形優(yōu)化法高斯-勒讓德41120.00612371234812349123450.00(資料性)三維坐標法幾何參數(shù)測量超聲換能器安裝完成后，應(yīng)對流道直徑、聲道長度、聲道角及聲道高度等幾何參數(shù)進行精確測量。當條件允許時宜進入管道內(nèi)部進行幾何參數(shù)測量。R2管道內(nèi)部測量法R21該方法利用三維坐標測量儀器采集管道壁面點和超聲換能器中心點的三維坐標，建立空間位置關(guān)系，基于柱面擬合計算測流裝置的幾何參數(shù)。R22對于較大流道，可用全站儀進行測量；對于全站儀無法進入的較小流道，可使用關(guān)節(jié)臂式坐標測量機