吳好文，盧永紅

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

鋁合金預(yù)拉伸中厚板因其優(yōu)異的力學(xué)性能、加工性能、比重輕等優(yōu)勢越來越廣泛地運(yùn)用于交通運(yùn)輸、航空航天、船舶、輕工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域[1]。

現(xiàn)在的鋁合金預(yù)拉伸中厚板熱處理工序普遍使用輥底爐來實(shí)現(xiàn)[2]。但是，在生產(chǎn)中出現(xiàn)了淬火冷卻不均勻、翹曲變形等質(zhì)量問題。本文通過對輥底爐淬火冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出了一種其關(guān)鍵件—電磁流量計(jì)的校準(zhǔn)方法和淬火冷卻水流量的控制要求，以滿足產(chǎn)品淬火的質(zhì)量要求。

1 輥底爐電磁流量計(jì)的校準(zhǔn)方法及難點(diǎn)

1.1 電磁流量計(jì)介紹

輥底爐采用電磁流量計(jì)來測量水流量。電磁流量計(jì)的工作原理是通過流量傳感器把流過管道內(nèi)的導(dǎo)電液體的體積流量轉(zhuǎn)換為線性電信號。

電磁流量計(jì)壓損小，測量精度高，對直管段要求相對較低，一般設(shè)計(jì)要求儀表前至少是5D（D為管道直徑），儀表后至少3D。如果遇到閥門、泵、彎頭等需要增加直管段。

1.2 電磁流量計(jì)的校準(zhǔn)方法

一是離線校準(zhǔn)，二是容積法校準(zhǔn)，三是選用其他流量計(jì)進(jìn)行在線比對校準(zhǔn)。從經(jīng)濟(jì)實(shí)用等多方面考慮，可以采用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行比對校準(zhǔn)。目前工業(yè)現(xiàn)場大多數(shù)流量計(jì)的校準(zhǔn)都是采用這種方法。

超聲波流量計(jì)有外夾式探頭，可以不破壞管路本體，不停產(chǎn)進(jìn)行流量測試。該流量計(jì)無壓損，對直管段要求較高，一般設(shè)計(jì)要求儀表前至少是10D（D 為管道直徑），儀表后至少5D。如果遇到閥門、泵、彎頭等需要增加直管段[3]。

但是在輥底爐現(xiàn)場采用便攜式流量計(jì)按照常規(guī)辦法進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，得出的結(jié)果數(shù)值不穩(wěn)定，波動(dòng)幅度大，數(shù)據(jù)沒有參考意義。因此此種方法也不適用。

1.3 校準(zhǔn)難點(diǎn)原因分析

電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)都屬于速度式流量計(jì)，受管路條件的影響很大，如雷諾數(shù)、渦流及截面速度分布不對稱等都會(huì)給測量帶來誤差。流量計(jì)要想測量準(zhǔn)確，需要滿足有足夠長的管路直管段這一基本條件，以保證管道內(nèi)流速均勻和平穩(wěn)。

本輥底爐受限于空間有限、管路變向多、彎頭多，進(jìn)入噴嘴管路之前還存在較大的縮徑現(xiàn)象，整個(gè)管路直管段很短。管路中流體都在紊流的狀態(tài)，流速變化存在畸變及旋渦，無法實(shí)現(xiàn)流速均勻平穩(wěn)。現(xiàn)有的流量測量方法都需要一定長度的直管段來保證流速均勻。原設(shè)計(jì)只考慮了滿足電磁流量計(jì)的安裝要求，沒有考慮超聲波流量計(jì)的管路條件。

但是，采用便攜式超聲波流量計(jì)現(xiàn)場在線對電磁流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)又是最經(jīng)濟(jì)、方便的，所以我們想設(shè)計(jì)一個(gè)如何利用超聲波流量計(jì)在線校準(zhǔn)電磁流量計(jì)的方法，進(jìn)而達(dá)到對淬火冷卻水流量進(jìn)行控制的目的。

2 方法設(shè)計(jì)及其原理

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選擇多臺超聲波流量計(jì)在同一流通截面上從不同方向?qū)ν还苈愤M(jìn)行測量，增加傳播路徑，取多臺流量計(jì)的平均值作為測量值，按照多套傳感器均分管徑的方式進(jìn)行安裝。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理分析

2.2.1流量

流量是單位時(shí)間內(nèi)通過管道橫截面或明渠橫斷面的流量體。流體以體積表示時(shí)，稱為體積流量，一般用qν表示。用數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為

式中，qν是體積流量，m3/s；V是流量體積，m3；t是時(shí)間，s；u是管內(nèi)平均流速，m/s；A是管道橫截面積，m2。

在實(shí)際管路中，管道橫截面積是固定不變的，從式（1）可以看出瞬時(shí)流量測試實(shí)際上就是瞬時(shí)流速的測試。

2.2.2 理論分析

在實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)中，流體存在層流和紊流兩種型態(tài)，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是臨界雷諾數(shù)Re。

式中，u是流速，m/s；d為管徑，m；ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m3/s。

層流和紊流是兩種性質(zhì)截然不同的流動(dòng)狀態(tài)。層流流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)流體分層流動(dòng)，各流層之間互不混雜而平行于管道軸線流動(dòng)，流層間沒有流體質(zhì)點(diǎn)的相互交換。流體通過一段管道的壓力降與流量成正比。

紊流流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)流體不再分層流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)除沿管道軸線方向運(yùn)動(dòng)外，還有劇烈的徑向運(yùn)動(dòng)，流體通過一段管道的壓力降與流量的平方成正比。

只有在很長的直管段末端或加裝流動(dòng)調(diào)整器后速度分布才能恢復(fù)到充分發(fā)展管流。這正是許多流量計(jì)需要有足夠長的表前直管段的根本原因。直管段的目的是實(shí)現(xiàn)層流，達(dá)到流速均勻平穩(wěn)的流量計(jì)測量額定條件，使流速一致以便計(jì)算累積流量。

由超聲波流量計(jì)原理可知，流體流速與傳輸時(shí)間差成正比，也就是流速測量實(shí)際上可以轉(zhuǎn)換成超聲波在流體中傳輸時(shí)間的測量[3]。這個(gè)時(shí)間很短，一般都在微秒級。如果能多次測量這個(gè)時(shí)間再平均計(jì)算的話，數(shù)據(jù)應(yīng)該更接近真實(shí)值。

在紊流狀態(tài)下，流速測量不準(zhǔn)就是由于流體流速不平行于管道。但是在x、y、z 三維空間中，流體流速可以分解成三個(gè)方向上多個(gè)速度分量。假定平行管道方向?yàn)閤軸，如果其他方向上的速度分量可以互相抵消，最終只剩下x 軸方向的速度分量，那么我們就可以認(rèn)為這個(gè)速度就近似于流體的真實(shí)速度。

由上可知，單個(gè)超聲波流量計(jì)流量可以真實(shí)反映相應(yīng)位置的流速，我們猜想，如果在同一流體截面安裝多個(gè)超聲波流量計(jì)，從多個(gè)角度測量，加上數(shù)理統(tǒng)計(jì)，就可以找到抵消流體擾動(dòng)帶來影響的辦法。

2.3 數(shù)學(xué)模型

將多臺流量計(jì)示值的平均值定為管路流量的約定真值，進(jìn)而與被校電磁流量計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，得到測量誤差。

式（3）中Δq為示值誤差，q電為電磁流量計(jì)示值。式（4）中為多臺超聲波流量計(jì)示值的平均值，q1max、q1min、q2max、q2min、qnmax、qnmin分別為某臺超聲波流量計(jì)示值在采樣間隔里的最大值和最小值，n為采用的超聲波流量計(jì)臺數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場實(shí)際采用方案

由于工況條件的限制，在經(jīng)濟(jì)可靠的前提下，我們選擇3臺超聲波流量計(jì)在同一流通截面上從不同方向?qū)ν还苈愤M(jìn)行測量，增加傳播路徑。取3臺流量計(jì)的平均值作為測量值，可以減輕由于流體擾動(dòng)帶來的流速不均勻影響。按照間隔120°均分管徑的方式進(jìn)行安裝。

3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況，我們采用3臺大連海峰的TDS-100型超聲波流量計(jì)進(jìn)行測量，采用橫河川儀的無紙記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 管道流量測試結(jié)果

測試結(jié)果見圖1～圖6。

圖1 1#管多臺超聲波與電磁流量計(jì)示值比較

圖2 1#管多臺超聲波平均值與電磁流量計(jì)示值比較

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖1、圖3、圖5可以看出，單臺超聲波流量計(jì)的示值與電磁流量計(jì)示值差異較大，且變化為非線性。3臺超聲波流量計(jì)相互之間差異也很大，反應(yīng)出在不同方向測量流速差異較大。

圖3 2#管多臺超聲波與電磁流量計(jì)示值比較

圖4 2#管多臺超聲波平均值與電磁流量計(jì)示值比較

圖5 3#管多臺超聲波與電磁流量計(jì)示值比較

從圖2、圖4、圖6可以看出，平均化后得到的示值與電磁流量計(jì)示值一致性較好，尤其是圖4，具有比對校準(zhǔn)意義。

從圖2、圖6 可以看出，部分點(diǎn)位存在異常值。從超聲波流量計(jì)的安裝方式方面來分析，超聲波換能器是通過捆扎帶捆在管道上的，換能器與管道之間填充了耦合劑；在設(shè)備運(yùn)行期間，管道一直在震動(dòng)，存在安裝位置發(fā)生輕微漂移和耦合不良的現(xiàn)象。從另一個(gè)方面也說明了換能器安裝的好壞對測量結(jié)果有著直接的影響。

上述測量結(jié)果都是用3 臺流量計(jì)測量得到的，部分區(qū)域還有非線性的地方。理論上測量臺數(shù)越多，測量值越準(zhǔn)確，線性越好。

4 分析與討論

對工業(yè)現(xiàn)場來說，存在許多非充分發(fā)展管流，但又需要進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)量的場合。對于已配置好的流體管道，特別是測量大口徑管道流量時(shí)，由于上流流動(dòng)狀態(tài)的干擾易造成測量誤差，比較合適的措施是增加測量線，即增加超聲波的傳播路徑，更多地接收傳播路徑中的流速信息，對其進(jìn)行平均，以抵消流體擾動(dòng)造成的測量誤差。增加測量線時(shí)，換能器安裝應(yīng)使超聲波傳播途徑均勻地置于流通截面上[3]。

通過實(shí)驗(yàn)可知，可以采用經(jīng)過校準(zhǔn)的多臺超聲波流量計(jì)對同一管道同一流體截面進(jìn)行測量，取多臺儀器測量結(jié)果的平均值作為此管道此時(shí)的瞬時(shí)流量，用此辦法可以實(shí)現(xiàn)對輥底爐電磁流量計(jì)在線校準(zhǔn)，從而對淬火冷卻水流量進(jìn)行精準(zhǔn)控制。采用這個(gè)辦法，可以有效降低由于管路直管段不足而導(dǎo)致管路中因紊流造成的影響。傳感器安裝位置采用沿管路圓周方向均勻分布的辦法，各個(gè)方向上的流體速度分量相互抵消，最終合成到流體流動(dòng)方向，最后所測結(jié)果平穩(wěn)、呈線性。理論上應(yīng)該通道數(shù)越多，數(shù)值越準(zhǔn)確。

在工業(yè)計(jì)量中，只要儀表性能穩(wěn)定，測量結(jié)果呈線性分布，被檢儀表與標(biāo)準(zhǔn)儀表之間的示值差異就可以通過修正值來進(jìn)行補(bǔ)償修正，進(jìn)而用來指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。

5 結(jié)論

在本輥底爐上只用一臺超聲波流量計(jì)無法對電磁流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，因其數(shù)值曲線變化很大，與電磁流量計(jì)示值趨勢差異較大。采用多臺超聲波流量計(jì)對數(shù)據(jù)平均化處理后，與電磁流量計(jì)示值曲線趨勢基本一致，可以用來對電磁流量計(jì)進(jìn)行比對校準(zhǔn)，進(jìn)而對冷卻水循環(huán)流量進(jìn)行控制。

流量管路在存在紊流、不滿足超聲波流量計(jì)安裝條件下，可以通過增加測量通道，平均化處理來減輕直管段不足帶來的影響，從而實(shí)現(xiàn)流量準(zhǔn)確測量。使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測量，換能器的安裝十分關(guān)鍵，捆扎不穩(wěn)、耦合不良、安裝距離計(jì)算錯(cuò)誤等因素將直接影響測量結(jié)果。