整流装置及超声波流量测量器的制作方法

1.本实用新型涉及核电技术领域，更具体地说，涉及一种整流装置及超声波流量测量器。


背景技术：

2.目前核电厂广泛应用于流量测量方面的差压式流量计主要有文丘里管、孔板；文丘里管、孔板流量计在使用过程中容易受流体冲刷、磨损以及化学沉积结垢的影响，导致测量精度无法长期保持；虽然超声波流量计也可用于流量测量，并且可解决传统流量计测量过程中存在的问题，但是该超声波流量计容易受所处的流场、给水管道上游弯头阀门或者上游扰流影响导致测量精度降低，而且该超声波流量计一般存在结构复杂、无法在线维护和更换的弊端。


技术实现要素：

3.本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种改进的整流装置，进一步提供一种改进的超声波流量测量器。
4.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种整流装置，包括连接于给水管道弯头处的下游且与给水管道连通的管道；所述管道包括沿流体流动方向依次设置且相互连通的整流段、过渡段、以及测量段；
5.所述整流段中设有多个隔板，所述多个隔板间隔设置用于将所述整流段分隔为多层平行的流体通道；
6.所述测量段包括多个安装结构；多个所述安装结构沿所述测量段周向间隔分布于所述测量段的管壁外侧，用于供多个超声波探头安装进而将所述测量段分隔为沿径向分布的多个声道，每个所述声道与所述流体通道垂直设置。
7.优选地，所述隔板包括宽度方向以及长度方向，所述隔板的所述宽度方向与所述整流段的径向平行，所述隔板的长度方向与所述整流段的轴向平行。
8.优选地，所述安装结构为多组，多组所述安装结构沿所述隔板的所述宽度方向间隔设置，每组所述安装结构包括两个所述安装结构，两个所述安装结构呈弦式布置，多组所述安装结构中的两个安装结构均沿同一径向对称设置。
9.优选地，所述整流段和所述过渡段的管径相当。
10.优选地，所述过渡段为空管段。
11.优选地，所述安装结构与所述测量段的中心点连线与所述测量段的中轴线形成45度角。
12.优选地，所述安装结构包括设置于所述管道壁上用于承载所述超声波探头的基座。
13.优选地，所述声道为四个，四个所述声道的位置根据高斯-雅可比方法布置。
14.实施本实用新型的整流装置，具有以下有益效果：该整流装置通过将该管道连接
于给水管道弯头处的下游，并在整流段设置多层平行的流体通道，从而可消除横向扰流对测量的干扰，且在测量段的管壁外侧设置多个安装结构供多个超声波探头安装，进而可使得超声波探头不与流体直接接触，可避免超声波探头被流体冲刷而精度降低的问题，再者，将测量段分隔为沿径向分布的多个声道，并将该声道与流体通道垂直设置，进而可使得超声波探头达到较高的测量精度。
15.本实用新型还构造一种超声波流量测量器，包括本实用新型所述的整流装置以及设置于所述整流装置上的多个超声波探头；
16.多个所述超声波探头与多个所述安装结构一一对应设置。
17.优选地，所述超声波探头与所述测量段的中心点连线与所述测量段的中轴线形成45度角。
18.实施本实用新型的超声波流量测量器，具有以下有益效果：该超声波流量测量器具有简易高效，测量精度高，稳定性高，可在线维护的优点。
附图说明
19.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
20.图1是本实用新型一些实施例中超声波流量测量器的结构示意图；
21.图2是图1所示超声波流量测量器的整流装置中整流段的侧视图；
22.图3是图1所示超声波流量测量器的整流装置中整流段的结构示意图；
23.图4是图1所示超声波流量测量器的整流装置中测量段的结构示意图；
24.图5a是流量200kg/s的工况沿y轴线上归一化流速分布图；
25.图5b是流量600kg/s的工况沿y轴线上归一化流速分布图；
26.图6a是流量200kg/s的工况沿y方向上归一化流速分布图；
27.图6b是流量600kg/s的工况沿y方向上归一化流速分布图；
28.图7是超声波流量测量器的测量示意图；
29.图8a是a种布置方式声道分布图；
30.图8b是b种布置方式声道分布图。
具体实施方式
31.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
32.图1示出了本实用新型超声波流量测量器的一些优选实施例。该超声波流量测量器可安装于给水管道弯头处的下游，可用于测量给水管道中流体的流量。该超声波流量测量器具有简易高效，测量精度高，稳定性高，可在线维护的优点。
33.如图1所示，在一些实施例中，该超声波流量测量器可包括整流装置以及多个超声波探头20，该整流装置可连接于该给水管道弯头处的下游，可用于供该超声波探头安装，使得超声波探头不需与流体直接接触，避免超声波被流体冲刷而影响精度，并且可消除给水管道内因弯头及扰流件引起的横向流对流量测量的影响，提高超声波探头测量的精度。整流装置为简易机械装置，在给水管道内有流体流动时全程工作，起到整流横向流的作用。该超声波探头20 可通过超声波时差法测量主给水流量。该多个超声波探头20可沿该整流装
置的周向间隔设置。该超声波探头20与整流装置配合工作，可通过发送超声波信号测量给水流速，并通过高斯-雅可比(gauss-jacobi)积分方法计算出给水流量。
34.进一步地，在一些实施例中，该整流装置可包括管道10；该管道10的一端可与该给水管道弯头处的下游连接，且另一端可与直管段连接。该管道10 可与该给水管道连通。在一些实施例中，该管道10可以为圆管，且该管道10 可以为直管。该管道10可包括整流段11、过渡段12、以及测量段13。进一步地，在一些实施例中，该整流段11、过渡段12以及测量段13可沿该流体流动方向依次设置且相互连通。在一些实施例中，该整流段11、过渡段12以及测量段13可一体成型。
35.进一步地，在一些实施例中，该整流段11可布置于最前端，即该整流段 11可连接于该给水管道的弯头下游，可用于消除该给水管道中特定方向的横向流。在一些实施例中，该整流段11的长度可以为0.6m。当然，可以理解的，在其他一些实施例中，该整流段11的长度可不限于0.6m。在一些实施例中，该整流段11中设有多个隔板14，该多个隔板14可间隔且平行设置。在一些实施例中该隔板14可以为长方形。该隔板14可包括宽度方向以及长度方向。该宽度方向可与该整流段11的径向平行，该隔板14的长度方向可与该整流段 11的轴向平行。该隔板14的长度可与该整流段11的长度相当。在一些实施例轴，该隔板14可以为不锈钢材质，其可通过焊接固定于该管道10中。在一些实施例中，该隔板14的厚度可以为0.5mm，相邻隔板14的间隔可以为10mm。在一些实施例中，该多个隔板14可用于将该整流段11分隔为多层平行的流体通道111，从而可将流经该整流段11的流体分隔为多层平行流动，进而可消除与该隔板垂直方向的横向扰流。
36.进一步地，在一些实施例中，该过渡段12可以为空管段，其用于连接该整流段11和测量段13，给水经过整流后流入该过渡段12，经过过渡段12过渡后进入测量段13。在一些实施例中，该过渡段12的管径可与该整流段11 的管径相当，在一些实施例中，该过渡段的长度可以为0.3m。
37.进一步地，在一些实施例中，该测量段13可连接于该过渡段12远离该整流段11的一端。在一些实施例中，该测量段13的管径可与该过渡段12的管径相当。在一些实施例中，该测量段13可包括多个安装结构，该多个安装结构可沿该测量段13的周向间隔分布于该测量段13的管壁外侧，且与该多个超声波探头一一对一设置，以供该超声波探头20安装。在一些实施例中，该安装结构与该测量段13的中心点连线可与该测量段13的中轴线形成45度角。进一步地，在一些实施例中，该多个安装结构可以分为多组安装结构，具体的，该多组安装结构可以为四组，该四组安装结构可沿该隔板14的宽度方向间隔设置。每组安装结构可包括两个，该两个安装结构可呈弦式布置，即可沿径向对称设置。在一些实施例中，该多组安装结构中的两个安装结构均可沿同一进行对称设置。该多个安装结构可与该多个超声波探头20安装，通过该多个安装结构可将该测量段13分隔为沿径向分布的多个声道131，在一些实施例中，该多个声道131可沿同一径向并排设置，且可与该流体通道111垂直设置，进而可避免横向流的影响。在一些实施例中，该安装结构可以为基座，其可焊接于该测量段13的管壁外侧，或者通过设置连接结构连接于该测量段13的管壁上，或者一体成型于该测量段13的管壁上。该基座可用于承载超声波探头20，在一些实施例中，该超声波探头20可以焊接于该基座上。可以理解的。在其他一些实施例中，该安装结构可不限于基座，其可以为设置于该管壁上得连接组件，比如螺钉等。
38.进一步地，在一些实施例中，该声道131可以为四个，该四个声道131 可沿同一径向并排设置，该声道131的具体位置可根据高斯-雅可比方法来确定。每一声道131可呈弦式布置。在一些实施例中，该声道131可与该流体通道111垂直设置，进而可减小横向流引入的误差。经过整流装置整流，来流不在包含与声道布置平面平行的横向流，由分析可知，超声波探头20测量不再受任意方向横向流的影响。使得该超声波流量测量器即可具备较高的测量精度。
39.进一步地，在一些实施例中，该超声波探头20可以为超声波传感器，其一一对应安装于该安装结构上，具体地，其可一一对应焊接于该基座上，即其与该测量段13的中心点连线与该测量段13的中轴线形成45度角。在一些实施例中，该超声波探头20通过测量声波脉冲在上下游传播时间即可确定流体的平均轴向流速。超声传感器既可以发送超声波也可以接收超声波，而声波向上游传播的绝对速度要低于向下游传播的速度。研究表明，超声波探头测量精度与所测的流场密切相关。不同的上游管路布置以流量计前后直管段的距离都会影响超声波探头精度。具体研究如下；
40.用cfd程序模拟分析含有90
°
弯头的给水管道对下游流场扰动以及对超声波流量测量器测量精度的影响。
41.给水管道内径d为0.36m，弯头上游直管段长度7.2m，即20倍内径长度 (20d)。弯头曲率半径1m，在yz平面内呈90
°
弯角，弯头下游直管段长度也为7.2m。
42.弯头对给水管道流型的影响
43.受上游90
°
弯头的影响，原本沿着环向均匀分布的流速出现了畸变。由于水流方向发生90
°
转弯，使得靠近给水管道截面底部的流速显著大于截面顶部流速。在水平方向，流型仍沿y轴左右对称。随着流动继续向下游发展，截面速度畸变逐渐减弱，但即使到下游20d处，流型仍没有恢复到充分发展的状态。
44.图5a-图5b给出了流量200kg/s和600kg/s的工况沿y轴线上归一化流速分布。可以看出，不同流量下归一化速度分布变化趋势接近，经过90
°
弯头给水管道﹣y区域的速度要明显大于 y区域，畸变随着下游直管段增长畸变减弱，但即使到20d处仍未充分发展。
45.此外，由于90
°
弯头的存在，造成流动除了轴向流速畸变外，还存在垂直于轴向的横向流动。如图6a-图6b所示，沿着y方向有着明显的横向流动，且越靠近弯头横向流速越显著，最大归一化横向流速超过0.25。在x方向基本无横向流动。
46.实际电站中主给水给水管道走向更加复杂，可能会存在多个弯头以及阀门，使得主给水流场更加复杂；并且实际电厂中难以保证有超过20d的直管段，因此很难有流型充分发展的环境用于超声波流量测量器布置。这就要考验存在流型畸变以及横向流时超声波流量测量器的测量精度。
47.假设超声波探头布置与给水管道轴线呈θ角，如图7所示，若给水管道中无横向流动分量，则声道的平均轴向速度可以表示为：
[0048][0049]
其中，l为传感器之间距离，td和tu分别为声波向下游和上游传送的时间，
[0050]
对于多声道超声波流量测量器，可通过对在同一截面的声道所测流速积分求得体
积流量。积分公式为：
[0051][0052]
其中，d为圆管内径，wi为加权系数，n为声道数。对于四声道流量计， gauss-jacobi方法推荐的加权系数及位置如表1所示。
[0053]
表1 gauss-jacobi积分法声道位置及加权系数
[0054][0055]
对于四声道超声波流量测量器，从cfd计算结果中提取声道的轴向平均速度va。声道位置及加权系数按照gauss-jacobi积分法确定。研究中分别考虑与x轴和y轴平行的两个平面的声道布置，如图8a-图8b所示，分别记为布置a和布置b，假设超声波流量测量器位置分别位于弯头下游2d和20d处，传感器布置与给水管道轴线所呈θ角为45
°
。
[0056]
表2列出了两个不同平面的四声道布置方案通过积分所得体积流量与理论流量的相对误差可以看出，超声波探头布置位置以及声道布置方向对于高斯积分的结果有重要影响。声道布置a下游20d处和布置b下游 2d处，高斯积分误差小于0.2％。但布置a在2d处，积分误差达到了0.9％。这主要是由于弯头引起的流型畸变使得积分误差变大。虽然流速分布仍然连续，但四声道测速并不能完全准确描述流型。总体而言，针对90
°
弯头下游四声道流量计测量体积流量，所讨论的两种声道布置方案高斯积分的误差小于1.0％。如果选择合理的位置及方向进行优化布置，高斯积分误差可小于0.2％。
[0057]
表2高斯积分引入的相对误差
[0058][0059]
横向流扰动的影响
[0060]
若给水管道中存在横向流动，将会影响超声波流量测量器的测量精度。受 90
°
弯头的影响，下游流动除了沿z轴的轴向流动外，还存在沿x、y轴的横向流动。本节讨论横向流动对测量的影响。
[0061]
若给水管道内有横向流动，则有：
[0062][0063]
其中，v
t
为横向速度分量，y为系数，根据横向速度分量取 1或者-1。
[0064]
从cfd模拟中分别提取声道上x、y方向速度分量，用上述公式处理后进行积分。将包含横向扰动的积分流量误差与不包含横向流动的结果进行对比，确定横向流引起的误差。
[0065]
计算结果由表3列出。可以看到，横向流的存在的确会引入测量误差，且误差与测量平面和测量位置有很大关系。由于弯头是在yz平面，因此下游会有较大的y方向横向流，相对而言x方向横向流很小。y方向横向流只会对布置b测量产生影响，而由于与布置a的声道垂直，故对布置a测量基本无影响。因此，布置b横向流的误差显著大于布置a。在弯头下游2d处，该误差甚至超过2％。横向流引入的误差随着流量增大而减小，随着测量位置直管段长度增大而减小。在下游20d处，即使是布置b，横向流引入的误差也只有0.05％左右。而对于布置a，横向流引入的误差均小于0.01％。因此，为了消除横向流引入的误差，可以根据上游扰动情况合理布置声道所在方向和位置，即使只用四声道单平面测量也可以得到较为满意的结果。
[0066]
表3横向流引入的相对误差
[0067][0068]
综上研究表明，给水管道弯头的存在造成给水管道中流场出现轴向流速畸变，并引起了垂直于轴向的横向流动。虽然流场畸变随着下游直管段增长减弱，但即使到20d处仍未达到充分发展。
[0069]
横向流的存在会对超声波流量计测量体积流量引入新的误差，且误差与测量平面和测量位置有很大关系。若横向流与声道布置垂直，则对测量基本无影响；若与声道布置平行，则引入的误差有可能超过2％。
[0070]
由于给水管道内的横向流对于超声波流量计测量影响很大，因此通过在弯头下游设置本实用新型的整流装置，可以消除给水给水管道内因弯头及扰流件引起的横向流对流量测量的影响，通过将声道与流体通道垂直，可达到较高的测量精度，另外，在管壁外侧设置安装结构安装超声波探头，可与流体不直接接触，进而可克服流体冲刷而降低精度的问题，并且避免超声波探头对流场的影响，而且避免了高压流体的泄露，另外可提高超声波探头测量的稳定性，实现超声波探头在线装卸和维护，并且不影响给水给水管道的正常运行。
[0071]
可以理解的，以上实施例仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围；因此，凡跟本实用新型权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。