輥底爐淬火冷卻水流量的精準控制與校準

吳好文，盧永紅

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

鋁合金預拉伸中厚板因其優異的力學性能、加工性能、比重輕等優勢越來越廣泛地運用于交通運輸、航空航天、船舶、輕工業等多個領域[1]。

現在的鋁合金預拉伸中厚板熱處理工序普遍使用輥底爐來實現[2]。但是，在生產中出現了淬火冷卻不均勻、翹曲變形等質量問題。本文通過對輥底爐淬火冷卻系統進行分析，提出了一種其關鍵件—電磁流量計的校準方法和淬火冷卻水流量的控制要求，以滿足產品淬火的質量要求。

1 輥底爐電磁流量計的校準方法及難點

1.1 電磁流量計介紹

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

電磁流量計壓損小，測量精度高，對直管段要求相對較低，一般設計要求儀表前至少是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 電磁流量計的校準方法

一是離線校準，二是容積法校準，三是選用其他流量計進行在線比對校準。從經濟實用等多方面考慮，可以采用便攜式超聲波流量計進行比對校準。目前工業現場大多數流量計的校準都是采用這種方法。

超聲波流量計有外夾式探頭，可以不破壞管路本體，不停產進行流量測試。該流量計無壓損，對直管段要求較高，一般設計要求儀表前至少是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]。

但是在輥底爐現場采用便攜式流量計按照常規辦法進行校準時，得出的結果數值不穩定，波動幅度大，數據沒有參考意義。因此此種方法也不適用。

1.3 校準難點原因分析

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

本輥底爐受限于空間有限、管路變向多、彎頭多，進入噴嘴管路之前還存在較大的縮徑現象，整個管路直管段很短。管路中流體都在紊流的狀態，流速變化存在畸變及旋渦，無法實現流速均勻平穩。現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。原設計只考慮了滿足電磁流量計的安裝要求，沒有考慮超聲波流量計的管路條件。

但是，采用便攜式超聲波流量計現場在線對電磁流量計進行校準又是最經濟、方便的，所以我們想設計一個如何利用超聲波流量計在線校準電磁流量計的方法，進而達到對淬火冷卻水流量進行控制的目的。

2 方法設計及其原理

2.1 實驗方案設計

選擇多臺超聲波流量計在同一流通截面上從不同方向對同一管路進行測量，增加傳播路徑，取多臺流量計的平均值作為測量值，按照多套傳感器均分管徑的方式進行安裝。

2.2 實驗原理分析

2.2.1流量

流量是單位時間內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，稱為體積流量，一般用qν表示。用數學表達式可以表示為

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

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

2.2.2 理論分析

在實際流體運動中，流體存在層流和紊流兩種型態，判斷的標準是臨界雷諾數Re。

式中，u是流速，m/s；d為管徑，m；ν為流體的運動黏度，m3/s。

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

紊流流動時，管內流體不再分層流動，流體質點除沿管道軸線方向運動外，還有劇烈的徑向運動，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調整器后速度分布才能恢復到充分發展管流。這正是許多流量計需要有足夠長的表前直管段的根本原因。直管段的目的是實現層流，達到流速均勻平穩的流量計測量額定條件，使流速一致以便計算累積流量。

由超聲波流量計原理可知，流體流速與傳輸時間差成正比，也就是流速測量實際上可以轉換成超聲波在流體中傳輸時間的測量[3]。這個時間很短，一般都在微秒級。如果能多次測量這個時間再平均計算的話，數據應該更接近真實值。

在紊流狀態下，流速測量不準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方向上多個速度分量。假定平行管道方向為x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，那么我們就可以認為這個速度就近似于流體的真實速度。

由上可知，單個超聲波流量計流量可以真實反映相應位置的流速，我們猜想，如果在同一流體截面安裝多個超聲波流量計，從多個角度測量，加上數理統計，就可以找到抵消流體擾動帶來影響的辦法。

2.3 數學模型

將多臺流量計示值的平均值定為管路流量的約定真值，進而與被校電磁流量計數值進行比較，得到測量誤差。

式（3）中Δq為示值誤差，q電為電磁流量計示值。式（4）中為多臺超聲波流量計示值的平均值，q1max、q1min、q2max、q2min、qnmax、qnmin分別為某臺超聲波流量計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臺數。

3 實驗驗證及結果分析

3.1 現場實際采用方案

由于工況條件的限制，在經濟可靠的前提下，我們選擇3臺超聲波流量計在同一流通截面上從不同方向對同一管路進行測量，增加傳播路徑。取3臺流量計的平均值作為測量值，可以減輕由于流體擾動帶來的流速不均勻影響。按照間隔120°均分管徑的方式進行安裝。

3.2 實驗現場

根據現場實際工況，我們采用3臺大連海峰的TDS-100型超聲波流量計進行測量，采用橫河川儀的無紙記錄儀進行數據記錄。

3.3 實驗結果

3.3.1 管道流量測試結果

測試結果見圖1～圖6。

圖1 1#管多臺超聲波與電磁流量計示值比較

圖2 1#管多臺超聲波平均值與電磁流量計示值比較

3.3.2 實驗結果分析

從圖1、圖3、圖5可以看出，單臺超聲波流量計的示值與電磁流量計示值差異較大，且變化為非線性。3臺超聲波流量計相互之間差異也很大，反應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示值比較

圖4 2#管多臺超聲波平均值與電磁流量計示值比較

圖5 3#管多臺超聲波與電磁流量計示值比較

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示值一致性較好，尤其是圖4，具有比對校準意義。

從圖2、圖6 可以看出，部分點位存在異常值。從超聲波流量計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；在設備運行期間，管道一直在震動，存在安裝位置發生輕微漂移和耦合不良的現象。從另一個方面也說明了換能器安裝的好壞對測量結果有著直接的影響。

上述測量結果都是用3 臺流量計測量得到的，部分區域還有非線性的地方。理論上測量臺數越多，測量值越準確，線性越好。

4 分析與討論

對工業現場來說，存在許多非充分發展管流，但又需要進行精準計量的場合。對于已配置好的流體管道，特別是測量大口徑管道流量時，由于上流流動狀態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，對其進行平均，以抵消流體擾動造成的測量誤差。增加測量線時，換能器安裝應使超聲波傳播途徑均勻地置于流通截面上[3]。

通過實驗可知，可以采用經過校準的多臺超聲波流量計對同一管道同一流體截面進行測量，取多臺儀器測量結果的平均值作為此管道此時的瞬時流量，用此辦法可以實現對輥底爐電磁流量計在線校準，從而對淬火冷卻水流量進行精準控制。采用這個辦法，可以有效降低由于管路直管段不足而導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，各個方向上的流體速度分量相互抵消，最終合成到流體流動方向，最后所測結果平穩、呈線性。理論上應該通道數越多，數值越準確。

在工業計量中，只要儀表性能穩定，測量結果呈線性分布，被檢儀表與標準儀表之間的示值差異就可以通過修正值來進行補償修正，進而用來指導工業生產。

5 結論

在本輥底爐上只用一臺超聲波流量計無法對電磁流量計進行校準，因其數值曲線變化很大，與電磁流量計示值趨勢差異較大。采用多臺超聲波流量計對數據平均化處理后，與電磁流量計示值曲線趨勢基本一致，可以用來對電磁流量計進行比對校準，進而對冷卻水循環流量進行控制。

流量管路在存在紊流、不滿足超聲波流量計安裝條件下，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，從而實現流量準確測量。使用超聲波流量計進行流量測量，換能器的安裝十分關鍵，捆扎不穩、耦合不良、安裝距離計算錯誤等因素將直接影響測量結果。