本文件描述了水轮机、蓄能泵和水泵水轮机流量测量的超声传播时间法，包括测量原理、测试方法、装置选址与选型、装置安装与调试要求、测试数据质量评价等。本文件适用于水轮机、蓄能泵和水泵水轮机的现场流量测量，断面为圆形或矩形的有压管道，直径或等效直径不小于0.8 m。 本文件适用于采用内贴式或外插式换能器的超声传播时间法测流装置的流量测量，不适用于采用外贴式换能器的测流装置的流量测量。

ICS27.140
cCs K 55
中华人民共和国国家标准書
GB/T35717—2024
代替GB/Z35717—2017
水轮机、蓄能泵和水泵水轮机流量的测量超声传播时间法
Discharge measurement for hydraulic turbines,storage pumps andpump-turbinesUItrasonic transit-time method2024-05-28发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2024-12-01实施
1范围
2规范性引用文件
3术语和定义
4符号
测量原理
5.1基本原理
5.2超声传播时间的测量
5.3声道层平均流速的计算
5.4流量的计算
6装置技术要求
6.1测量管段选择
6.2声道配置
6.3测流装置
7装置安装与调试
7.1换能器定位安装
7.2几何参数测量
7.3参数配置与调试
8测流数据质量评价，
8.1测量不确定度
8.2定期跟踪评价
附录A（规范性)声道高度与权重系数附录B（规范性）流速代表性参考数据，目
附录C（规范性）圆形流道测流装置的几何参数测量附录D(资料性)纯水中的声速
附录E（规范性)不确定度评定方法附录F（资料性）超声传播时间测量能力测试参考文献
GB/T35717—2024
GB/T35717—2024
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件代替GB/Z35717一2017《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机流量的测量超声传播时间法》，与GB/Z35717一2017相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：增加了装置参数配置与调试（见7.3)；增加了测流数据定期跟踪评价（见8.2)。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国电器工业协会提出。本文件由全国水轮机标准化技术委员会(SAC/TC175)归口。本文件起草单位：中国计量科学研究院、国网甘肃省电力公司电力科学研究院、中国水利水电科学研究院、北京市水资源调度管理事务中心、哈尔滨大电机研究所有限公司、河海大学、中国长江电力股份有限公司、水利部农村电气化研究所、国电南瑞科技股份有限公司、水利部机电研究所、青岛清万水技术有限公司、雅磐江流域水电开发有限公司、清华大学、北京华声量测科技有限公司、西安理工大学、南京申瑞电气系统控制有限公司、东方电气集团东方电机有限公司、中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司、大唐水电科学技术研究院有限公司、北京唯恩传感技术有限公司、中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司、国能大渡河流域水电开发有限公司、汇中仪表股份有限公司、西华大学。本文件主要起草人：胡鹤鸣、董开松、周叶、杨卓、孟涛、覃大清、陈红、刘源、李友平、徐伟、夏洲、潘罗平、刘秀良、冷吉强、张梁、赵越、朱德军、路鹏、郭鹏程、徐春荣、甄文喜、胡江艺、黄靖乾、朴奇焕、张海库、赵霖、段宏江、马越、陈辉、赵伟、李正贵。本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为：-2017年首次发布为GB/Z35717—2017；一本次为第一次修订。
1范围
水轮机、蓄能泵和水泵水轮机流量的测量超声传播时间法
GB/T35717—2024
本文件描述了水轮机、蓄能泵和水泵水轮机流量测量的超声传播时间法，包括测量原理、测试方法，装置选址与选型、装置安装与调试要求、测试数据质量评价等。本文件适用于水轮机、蓄能泵和水泵水轮机的现场流量测量，断面为圆形或矩形的有压管道，直径或等效直径不小于0.8m。
本文件适用于采用内贴式或外插式换能器的超声传播时间法测流装置的流量测量，不适用于采用外贴式换能器的测流装置的流量测量。2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T35138封闭管道中流体流量的测量渡越时间法液体超声流量计JJF1358非实流法校准DN1000～DN150003术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1
液体超声流量计校准规范
超声传播时间法ultrasonictransit-timemethod利用超声在流体中逆流传播时间与顺流传播时间之差求出声道轴向流速，通过积分算法计算面平均流速并与面积相乘得到流量的方法。3.2
超声换能器ultrasonictransducer超声测流装置中利用压电陶瓷来实现电输出和机械振动输出相互转换的部件。注：亦称超声探头。
内贴式换能器built-intransducer固定在流道内壁上的超声换能器。3.4
外插式换能器plug-intransducer从流道外壁插入安装固定的超声换能器。3.5
超声传播时间法测流装置dischargemeasurementdeviceofultrasonictransit-timemethod超声换能器直接安装在现有流道上，采用超声传播时间法进行流量测量的装置。注：以下简称测流装置
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声道ultrasonicpath
超声在成对的超声换能器间传播的实际路径。注：亦称声路。
声道长度ultrasonicpathlength成对换能器之间超声在水介质中传播的实际距离。3.8
声道角ultrasonicpathangle
声道与流道轴线之间的夹角，
声道高度ultrasonicpathheight声道相对于流道中心的高度。
注：声道高度的绝对值为声道与流道轴线之间的最短距离。以流道中心以上为正值，以下为负值，正好过流道中心的为零。相对声道高度为声道高度与半径的比值。3.10
声道高度角ultrasonicpathheightangle对于圆形流道，声道高度与半径比值的正弦值对应的角度，亦即利用经纬仪进行换能器安装时的俯仰角投影到断面上的角度。
注：声道高度角的范围为一90°~90°。3.11
换能器凸出高度transducerprotrusionheight换能器外形最高点到内壁的垂直距离。3.12
凸出比protrusionratio
换能器凸出高度与圆形流道断面直径(或矩形流道断面宽度)之比。3.13
声道层ultrasoniclayer
声道高度相同的两个声道所在的层面。3.14
声道面ultrasonicplane
声道角相同的一组声道所在的流道斜截面。3.15
声道投影流速ultrasonicpathprojectedvelocity测流装置利用传播时间直接测到的流速分量。注：亦即声道上的实际流速的线平均值投影到声道方向上的分量。3.16
声道轴向流速ultrasonicpathaxialvelocity声道投影流速除以声道角的余弦值得到的流速注：声道轴向流速直接用于积分计算流量。3.17
矩形断面等效直径
equivalentdiameter
与矩形断面面积相等的圆的直径。2
cross-sectional averagevelocity面平均流速
过流量除以过流断面面积得到的流速。传播时间transittime
超声波从一个换能器出发开始计时，到达另一个换能器结束计时所测到的时间。时间差timedifference
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对换能器互为收发测量超声传播时间时，逆流传播时间和顺流传播时间的差值。4符号
下列符号适用于本文件。
A：流道断面面积，单位为平方米(m)。B:矩形流道断面宽度，单位为米(m)。C:介质声速，单位为米每秒(m/s)。D:圆形断面直径或矩形断面等效直径，单位为米(m)。di：声道i的声道高度，单位为米(m)。H:矩形流道断面高度，单位为米(m)。L：声道i的声道长度，单位为米(m)。Lw，；：声道i的自管壁起算的声道长度，单位为米(m)。N:声道数。
Q：流道断面流量，单位为立方米每秒(m3/s)。R：圆形流道半径，单位为米(m)。ta:声道i的顺流传播时间，单位为秒(s)。ti：声道i的相对声道高度
tu:声道i的逆流传播时间，单位为秒(s)。Uproji:声道i的声道投影流速，单位为米每秒(m/s)V1：声道i的声道轴向流速，单位为米每秒(m/s)。Φ：：声道的声道角，单位为度（°）。a；：声道i的声道高度角，单位为度(°）。△t：超声传播时间差，单位为秒(s)。w；：声道i的权重系数。
5测量原理
5.1基本原理
超声传播时间法通过测量超声在流体中传播的时间来计算流体的流速和流量。如图1a)所示，对换能器以声道长度L、声道角Φ安装在流道两侧，流体中声速C会与声道投影流速vpra=vcosp叠加，造成超声逆流传播时间u大于顺流传播时间ta。t,=L/(C-Dm))
=L/(C+m))
(3mj(1/ta1/t.) · L/2
1C=(1/ta+1/u).L/2
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由公式（1)可以得到声道轴向流速v，见公式(2)：L(11)
cosg2cosp(tet.)2cosptat.
式中，超声传播时间差△t=tu-ta,是超声传播时间法的关键测量参数。声道轴向流速的计算不依赖于声速，介质声速变化不会直接影响流速的测量结果。a）声道轴向流速的测量
图1超声传播时间法原理示意图
b）用多个声道积分计算流量
在实际应用中，经常在流道中不同声道高度z；上平行布置若干声道。如图1b)所示，每条声道的声道轴向流速v:代表其上下一定面积内的平均流速，利用多个声道轴向流速v;更好地估计流道的面平均流速v，进而得到流道的流量Q，见公式(3)：Q=Av=Af-(V1 ,V2 ,..,Un)
式中：
流道断面面积：
声道数。
5.2超声传播时间的测量
（3）
测流装置声道长度通常在米量级，超声传播时间通常在毫秒量级，时间差通常在微秒量级，时间差的测量准确度要求要远高于传播时间。测流装置采用过零检测、波形相关分析等方法测量传播时间和时间差，应提高单位时间内的采样次数进行多次平均处理。测流装置需要测量换能器之间水介质中的超声传播时间来计算声道轴向流速，主机应消除信号电缆中的信号传播时间、换能器匹配层中的传播时间、电子设备中的信号处理时间等造成的时间延迟。5.3声道层平均流速的计算
测流装置所处流道可能具有较强的横向流动，交叉声道面配置可有效削弱横向流动的于扰，声道投影流速与垂直于声道面的流速分量无关，假设声道层内两声道上的线平均流速分量相等，其流速矢量记为ba，与流道轴向的夹角记为0，如图2所示。Tsc可分解为轴向流速va和横向流速V.，其中v是测流装置希望测到的声道轴向流速。当存在横向流速v.时，测到的声道投影流速分别为Ops.A=vsecos(A+0)
式(4)和公式(5)：
和vpa,B=Vlogcos(pp-O)，进一步换算到A、B两声道面的声道轴向流速见公VA=Vlayercos(βA+0)/cospA
UB=Vlayercos(os—0)/cospB
利用几何计算可得到待测声道轴向流速见公式(6)：vax=Vlayercos0=(vAtangs+vptangA)/(tanβA+tanβs)当声道角ΦA=oB时，可以简化为公式(7)：Vax=(vA+vB)/2
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如果采用单声道面配置，将存在较大的流速测量误差，利用交叉声道面可以有效提高测流装置的准确度。
声道面B
声道面A此内容来自标准下载网
图2存在横向流动时声道轴向流速示意图换能器安装时通常会凸出于流道边壁，如图3所示。换能器凸出将造成：a）换能器附近流动存在旋涡，局部声道投影流速与无换能器时相比存在明显差异；b)
声道轴向流速实际采样范围L与预期采样范围LW（边壁到边壁的距离）不同。两者均直接影响声道轴向流速的测量，导致流量测量的系统偏差。水流
图3换能器凸出影响示意图
5.4流量的计算
测流装置在不同声道高度z；上平行布置若干声道，来测量声道轴向流速并计算流量，如图1b）所示。通常用相对声道高度ti=d:/R(圆形流道，R为其半径)、t;=d:/(H/2)(矩形流道，H为其高度）
来表征声道的安装位置，其中圆形流道还可用声道高度角α；=arcsint；来描述相对声道高度。相对声道高度应符合附录A的要求，换能器应严格按照表A.1安装。GB/T35717—2024
圆形流道通常采用高斯-雅克比积分法(Gauss-Jacobi）和圆形优化积分法(OWICS）计算流量，后者考虑了边壁附近的零流速，系统偏差略小，对于充分发展的流动具有一定优势。表A.1给出了两种方法在相同的声道高度布置条件下的权重系数w，流量Q采用加权平均的方式按公式(8)计算。QRa;·w,·Lw.sinp;=2R
若令W1=wcOsa，流量计算还可简化为公式(9)。cos
Q=2R*2W. 0
高斯-雅克比积分法的相对声道高度和权重系数还可以表达为公式（10）。ir
i=1,2,...,N
：（10)
矩形流道采用高斯-勒让德法积分法(Gauss-Legendre）和矩形优化积分法(OWIRS）计算流量。BH.
式中：
B矩形流道宽度。
.(11）
对于交叉声道面配置的测流装置，宜先按公式(6)或公式(7)对同一层的两个声道轴向流速vA.i和VB.进行平均，计算声道层平均流速，再按公式(9)和公式(11)进行加权求和计算流量Q。6装置技术要求
6.1测量管段选择
测流装置换能器安装位置的选择，尽可能远离扰流区（如产生速度分布不对称、旋涡或大范围紊流的弯曲段，尽可能减少或消除干扰测流装置信号质量的气泡、沉淀物和噪声等。测流装置换能器安装优先选择暴露式钢管部位，以便采用外插式换能器。在可选圆形流道和矩形流道的情况下，应优先选择圆形流道安装，典型情况如下。一对于中高水头混流式水轮机，测流装置宜选择安装在蜗壳前的压力钢管水平直管段上对于蓄能泵，测流装置宜安装在直管段最长的圆形压力钢管上；若无圆形流道，也可安装在上游渐变矩形流道内，但其测量不确定度会有较大增加。对于水泵水轮机，测流装置可安装在蜗壳前的压力钢管水平直管段上，或尾水管进出口流道内。
超声测流装置的前后直管段长度宜满足前10D后3D（前后直管段长度计算时，以所有换能器的中心断面为参照），对于水泵水轮机宜满足前10D后10D。无法满足该条件时，超声测流装置仍可应用，但测量不确定度应附加额外的复杂流场影响项，可按照附录B中的方法进行评价。6.2声道配置
本文件最低配置要求为双面交叉4声道（8声道）。无法满足6.1中的直管段条件时，宜采用更多的声道以提高复杂流场条件下的面平均流速准确度，并宜对流道内的流速分布进行流体仿真分析或模型试验测试，以确定最适合的声道高度和权重系数。圆形流道和矩形流道换能器的典型布置分别如图4和图5所示。声道层宜在水平方向布置。声道角宜在36°~75°范围内进行设计，直管段长度较短时可采用较大的声道角。6
6.3测流装置
B2&B3'
BIL&B4
AI&A4'
俯视图
声道面A
欢&A4
声道面B
A1'&B1”日日A1'&B1
A2&B2’县
A3'&B3”县
日A2&B2
日A3&B3
A4&B4月日A4&B4
正视图
声道2
声道3
声道4
侧视图
图4圆形流道双面交叉4声道布置B1B2B3B4
A1A2A3A4
声道面A
水流、
换能器
B1'B2B3'B4'
声道面B
佣视图
正视图
声道1
声道2
声道3
声道4
侧视图
图5矩形流道双面交叉4声道布置测流装置应在测量管段选择和声道配置确定的情况下进行选型。GB/T35717—2024
换能器
测流装置换能器有外插式和内贴式两种安装形式，应优先选择外插式换能器。外插式换能器安装到管道外壁，配有专门的换能器安装座，换能器凸出壁面较少，产生的扰流效应也较小，且可在带水条件下更换换能器；内贴式换能器安装到管道内壁，信号电缆经穿缆器引出，换能器及穿线管都会存在扰流效应。
在保证信号强度的前提下，应优先选择尺寸较小的换能器及其安装座。换能器凸出会影响测流装置的准确度，凸出比越大，引起的测量偏差越大。应按照附录B对换能器凸出影响进行评估或修正。
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