曹　鵬　孟　濤　張　亮　胡鶴鳴　徐春榮

(1.河北大學(xué)，保定 071002；2.中國計量科學(xué)研究院，北京100029；3.南京申瑞電氣系統(tǒng)控制有限公司，南京 210000)

0　引言

由時差法超聲流量計原理可知，流量測量相關(guān)參數(shù)有管道直徑D、聲道長度L、聲速C、聲道角φ和時間差Δt。為減少各項參數(shù)給流量計算所帶來的誤差，需要保證D、L、C、φ、Δt每一項測量的準確性。因此，本論文針對超聲流量計其中一項參數(shù)——傳播時間進行研究，超聲平均傳播時間是參與流速計算的關(guān)鍵參數(shù)之一，其測量的準確性會直接影響流量測量結(jié)果的可靠性。流量計算的傳播時間是指超聲波由換能器的發(fā)射面發(fā)出穿過被測介質(zhì)到換能器接收面接收為止，即超聲通過兩探頭間固定聲道長度的傳播時間。而流量計實測時間還包括了電信號的線纜延時、軟硬件電路運算延時以及超聲波穿過探頭前端的匹配層、保護層所產(chǎn)生的延時等[1]，這些延時會直接影響傳播時間的計算。

由系統(tǒng)自身原因所產(chǎn)生的計時誤差統(tǒng)稱為延時誤差，延時誤差對流量測量準確度的相對影響與流量計口徑相關(guān)，口徑越小影響越顯著。對大口徑超聲流量計來講，通常認為延時誤差量級相對較小，大部分流量計廠家采用相對粗放的理論計算方式進行修正。但實際使用中，由于線纜較長，軟硬件電路運算延時等原因，延時可達幾個微秒，在這種情況，計算本身誤差較大，其結(jié)果必然不準確，會對流量測量產(chǎn)生明顯影響。

在JJF 1358—2012《非實流法校準DN1000～DN15000液體超聲流量計》[2]中已對延時誤差的校準給出了實驗方法。由于實驗條件所限，三峽電站已安裝的流量計只能采用現(xiàn)場聲速校準的方法對流量計計時系統(tǒng)進行檢查，但聲速測量容易受系統(tǒng)、裝配條件、環(huán)境等因素的影響[3]，檢查所帶來的不確定度較大，檢查結(jié)果并不適用于對流量計的修正。在本實驗項目中，恰逢溪洛渡電站流量計到貨且準備安裝，經(jīng)流量計廠家協(xié)調(diào)配合，在實驗室完成了溪洛渡9#機組流量計的延時校準。

1　延時誤差校準裝置及實驗

1.1　延時裝置基本原理

該延時裝置基于水溫恒定的靜水中超聲波聲速基本保持一致，聲波信號在整個系統(tǒng)中往返延時Δt相同的特點，把參與計算的時間參數(shù)作為變量，如圖1，通過調(diào)節(jié)聲道長度的變化，精確測量聲波實際傳播時間，得到系統(tǒng)帶來的延時誤差Δt。

圖1　超聲傳播時間校準裝置原理圖

如圖1所示，利用兩個精確測量的傳播距離L1和L2，分別測量得到聲波在傳播距離L1和L2上的傳播時間t1和t2，而實際水域中的傳播時間為t1+Δt和t2+Δt，因此，根據(jù)聲速在相同環(huán)境和介質(zhì)中的一致性得到：

(1)

若無法完全保證一長一短兩次測量過程中溫度完全一致，而溫度的變化會對聲速帶來影響，因此，上式可進一步改為：

(2)

1.水槽；2.注水口；3.排水口；4.滑軌；5、6.被測流量計探頭；7.流量計主機；8.滑動探頭夾裝機構(gòu)；9.固定探頭夾裝機構(gòu)；10.石英棒；11.溫度傳感器；12.溫度采集器

1.2　延時校準裝置

探頭間距的選擇及控制精度是裝置設(shè)計中的關(guān)鍵因素，裝置的測量精度與超聲探頭在裝置上定位精度密切相關(guān)，如圖2所示，裝置對探頭間距離控制機構(gòu)進行了精心設(shè)計，使探頭間距離控制精度可以達到0.05mm以內(nèi)，大大提高了探頭間距離測量不確定度水平。

本裝置其它誤差來源對延時誤差的貢獻量較小，通過溫度修正可以降低由于兩次測量中溫度變化引起的誤差，溫度測量采用準確度優(yōu)于0.1℃的鉑電阻。

2　實驗數(shù)據(jù)分析及處理

2.1　18聲道超聲流量計系統(tǒng)延時校準

該項實驗選擇了即將安裝的溪洛渡電站9#機組流量計。流量計為18聲道，按照Gauss-Jacobi方式[6]布置探頭(如圖3)， 每個換能器的電纜長度

圖3　18聲道超聲流量計聲道布置示意圖

為90m，在實驗開始前，流量計廠家已按照其技術(shù)規(guī)范計算得到其延時誤差為8.4μs，并已置入流量計算機中。

將18對探頭依次分別安裝在延時校準裝置上，延時校準裝置共配備了3種長度的標準距，分別為1000mm、300mm及200mm，采用不同組合對每對探頭測試3次，取平均值，實驗結(jié)果的處理方法如式(2)所示。

聲道長度按照18聲道流量計安裝管徑為10m(設(shè)計值)，依據(jù)Gauss-Jacobi探頭布置方法計算得到；理論傳輸時間是在靜水狀態(tài)下，水溫為20℃，水中聲速為1480m/s估算得到。如圖4所示，黑色線表示理論傳輸時間，符合換能器探頭布線方式，白色柱表示各聲道平均延時的情況。各聲道中最長聲道長度為11.034m，理論傳輸時間為7455.4μs；最小為3.410m，理論傳輸時間2304.1μs；各聲道平均延時誤差絕對值最大為3.3468μs，絕對值最小為3.0430μs，平均值為3.2204μs。引入的流速測量誤差最大值為-0.15%，出現(xiàn)在Path9；最小值為-0.04%，出現(xiàn)在Path4、Path5和Path14。

圖4　各聲道實測平均延時

經(jīng)延時校準裝置標定后，在滿足設(shè)定的聲道長度下，每一聲道實測平均延時基本保持在-3～-3.35μs之間，由此對流量計流速測量造成的誤差在0.1%左右，其貢獻量是比較大的。相對于系統(tǒng)設(shè)定延時8.4μs偏差約38.1%，修正后，系統(tǒng)延時的設(shè)定值延時為5.0532～5.3570μs。

2.2　流量計安裝現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

在相同的測量條件下，經(jīng)過延時誤差校準，各聲道聲速測量結(jié)果將趨于一致，在溪洛渡電站9#機組流量計安裝好之后，調(diào)取現(xiàn)場聲速測量數(shù)據(jù)對校準結(jié)果進行檢驗，數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5　9#機組流量計平均聲速

如圖5，各聲道聲速測量的一致性整體上是非常好的，根據(jù)貝塞爾公式計算得到，18條聲道的一致性為99.97%。流速為4.415m/s狀態(tài)下，各聲道聲速的標準偏差大約為0.089m/s，各聲道聲速基本保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，驗證了靜水狀態(tài)延時校準裝置修正系統(tǒng)延時的有效性。

3　結(jié)論

由圖4可以看到，每條聲道的平均延時比較接近，說明每條聲道的一致性較好；各聲道平均延時平均值約為-3.2μs，其含義可以理解為流量計算機置入的8.4μs偏大了約3.2μs。用平均延時除以理論傳輸時間即可得到由于延時修正不準確引入單條聲道流速測量的誤差，該誤差在管道邊壁聲道最大，達到0.15%，而管道中心聲道誤差約為0.05%；由于在計算流量時，各聲道的權(quán)重系數(shù)不同，因此，在評估延時對流量測量影響時，也采用加權(quán)平均的方法，計算得到延時引入流量的誤差約為0.06%，而為流量計重新置入延時修正值(校準后設(shè)定值)后，延時誤差可被基本消除。由溪洛渡電站9#機組流量計實測數(shù)據(jù)分析得到，現(xiàn)場18聲道超聲流量計聲速相對一致性較好，表明裝置的系統(tǒng)延時得到了有效修正，滿足大口徑超聲流量計的使用需求。

4　結(jié)束語

對于該流量計，若不對延時進行修正(流量計設(shè)置修正值為0)，延時誤差將會引起流量超過0.1%的誤差。由此可見，即便對于超大口徑流量計，延時誤差的有效消除也能明顯提高流量計的準確度，而相比原有的延時計算方法，項目中使用的實驗設(shè)備及方法亦不復(fù)雜。從上述的實驗結(jié)果中進一步分析得到：若已知被測流量計各聲道延時一致性較好，如換能器為同一批號、電纜材質(zhì)長度相同、共用一套時間測量系統(tǒng)等，實驗可簡化為僅測幾個典型聲道延時即可，用典型聲道的延時數(shù)據(jù)為每條聲道進行修正，其引入的誤差是完全可以接受的，實驗量則得到進一步減少，增加了實驗的可操作性。

本實驗中反映出的另一個問題，需要流量計的用戶和生產(chǎn)企業(yè)共同思考。近年來，流量計現(xiàn)場校準的需求越來越多，但實際情況是在流量計安裝、投入使用后，很多校準項目開展非常困難，只能將校準變?yōu)闄z查，而有些項目則根本無法進行；若用戶能將校準需求提前到流量計的安裝前，甚至是設(shè)計階段，并及時與相關(guān)的計量技術(shù)部門溝通，使得部分校準項目可以在實驗室完成，再通過與現(xiàn)場檢查相結(jié)合(本實驗中溪洛渡電站9#機組流量計校準作為例證)，在實驗室延時校準后，可在現(xiàn)場檢查流量計各聲道聲速測量情況，對實驗室校準結(jié)果進行核查，這將是解決流量計現(xiàn)場校準困難的一條有效路徑。另一方面，對于流量計生產(chǎn)企業(yè)，也應(yīng)切實加強產(chǎn)品的出廠檢測以及現(xiàn)場安裝后的調(diào)試，將操作方法規(guī)范到JJF 1358—2012《非實流法校準DN1000～DN15000液體超聲流量計》上，這將為后續(xù)的現(xiàn)場校準及周期校準奠定良好基礎(chǔ)。

[1]晁智強,盛鋒,韓壽松.時差法超聲波流量計誤差分析與研究[J].液壓與氣動,2009(6):64-67

[2]JJF 1358—2012非實流法校準DN1000～DN15000液體超聲流量計校準規(guī)范[S]

[3]孟濤,胡鶴鳴,王池,等.三峽電站流量計準確度評估實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計[J].計量技術(shù),2009(11):32-35

[4]V A Belogol’skii, S S Sekoyan, L M Samorukova, et al.Pressure dependence of the sound velocity in distilled water[J].Measurement Techniques, 1999, 42(4)：406-413

[5]張亮,徐益挺,孟濤,等.超聲流量計系統(tǒng)延時檢定方法研究[J].計量技術(shù),2013(3):45-47

[6]胡鶴鳴,王池,孟濤.多聲路超聲流量計積分方法及其準確度分析[J].儀器儀表學(xué)報,2010(6):1218-1223