劉乾

摘 要： 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用范圍越來越廣，逐漸成為了生產(chǎn)與生活中非常重要的一種流量測(cè)量手段。首先，分析了超聲波流量計(jì)測(cè)量流量的原理，指出了超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)，對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量時(shí)存在的誤差加以探討，最后闡述了減少超聲波流量計(jì)誤差的措施，希望能夠有效控制超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，確保測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)性。

關(guān)鍵詞： 超聲波流量計(jì)；應(yīng)用；誤差

1 前言

現(xiàn)階段，由于科學(xué)技術(shù)不斷的得以革新與發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步加快，流量測(cè)量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)之中的應(yīng)用范圍逐漸拓寬，并且在生活之中的應(yīng)用也越來越廣泛。進(jìn)行流量測(cè)量的過程中，可以采取的方法非常多，而超聲波流量計(jì)在對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，無需接觸被測(cè)物質(zhì)，因此得到了非常廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)以及國(guó)外對(duì)于超聲波流量計(jì)的研究均取得了顯著成果，所研制的超聲波流量計(jì)基本上都是通過測(cè)量超聲波在流體之中所擁有的傳播速率，從而測(cè)量出流體真實(shí)的流速，進(jìn)一步計(jì)算出流體的流量。特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)得到快速發(fā)展以后，在應(yīng)用超聲波流量計(jì)的過程中更加便捷，同時(shí)還擁有的自檢功能，可以有效的對(duì)流量計(jì)測(cè)量過程中各種誤差加以修訂。

2 超聲波流量計(jì)測(cè)量流量的原理

超聲波流量計(jì)測(cè)量流量的原理圖如圖1所示。

上圖之中的A傳感器以及B傳感器均可以發(fā)射超聲波，也能夠接受超聲波。超聲波由其中一個(gè)傳感器而達(dá)到另一個(gè)傳感器形成的通路被稱作是聲波通路。超聲波處于流被測(cè)量的流體之中，是以聲速進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｈ羰浅暡òl(fā)射方向和被測(cè)流體的流動(dòng)方向一致時(shí)，此時(shí)超聲波所擁有的傳輸速率便會(huì)相應(yīng)增加，而若是超聲波發(fā)射方向和被測(cè)流體的流動(dòng)方向相反時(shí)，此時(shí)超聲波所擁有的傳輸速率會(huì)相應(yīng)減小。所以，依照依照超聲波同時(shí)由A傳感器與B傳感器發(fā)射與抵達(dá)的時(shí)間差值，便能夠計(jì)算出被測(cè)量流體的流速值，計(jì)算公式如（1）-（3）所示。

在上式之中：vm代表的是管道之中流體所擁有的流速值；

L代表的是超聲波傳輸?shù)耐ǖ篱L(zhǎng)度值；

α代表的是超聲波的傳輸通道和流體流向之間夾角值；

t逆代表的是超聲波和流體流動(dòng)方向相反情況下的傳輸時(shí)長(zhǎng)；

t順代表的是超聲波和流體流動(dòng)方向相同情況下的傳輸時(shí)長(zhǎng)；

c代表的是超聲波在該流體之中所擁有的傳輸速率值。

雖然超聲波在不同的流體之中所擁有的傳輸速率和流體自身組成存在關(guān)聯(lián)性，不過，我們通過流體流速計(jì)算公式能夠得出，流體所擁有的速率，和超聲波在流體之中的傳輸速率之間并不存在關(guān)聯(lián)性，即在通過應(yīng)用超聲波流量計(jì)進(jìn)行流體流速的測(cè)量過程中，流體流速值和測(cè)量過程中流體的壓力、流體溫度以及流體組成并不存在關(guān)聯(lián)性。

要是流體輸送管道同一截面上不同位置出的流速相同，那么，流體的流量計(jì)算便非常簡(jiǎn)單，即將流速與截面面積相乘便可得出。但是，現(xiàn)實(shí)情況確是同一截面位置處的流體流速呈現(xiàn)出拋物線狀，也就是流體在截面中心位置出的流速最大，向管壁方向流速逐漸降低。所以，我們測(cè)量計(jì)算出的流體流速只是通道長(zhǎng)度區(qū)域內(nèi)的流體平均流速。此時(shí)，流體真實(shí)流速便需要使用和燃?xì)饬骼字Z數(shù)相關(guān)聯(lián)的調(diào)整因子K進(jìn)行表示，得出燃?xì)饬髁康挠?jì)算公式如（4）所示。

（4）

在上式之中：Q代表的是流體的流量值；

A代表的是流體管道的截面積；

K代表的是調(diào)整因子。

3 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)

3.1 便于安裝與維修

和其他一些流量計(jì)對(duì)比而言，超聲波流量計(jì)進(jìn)行安裝以及維護(hù)時(shí)更加的便捷，不需要在流體輸送的管道之上打孔，也不需將流體切斷，裝置的安裝較為便捷，尤其是用于測(cè)量大口徑管道的過程中，超聲波流量計(jì)的安裝便捷性更能發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)，可以有效節(jié)約人力、物力以及財(cái)力的消耗。

3.2 測(cè)量管徑范圍大

在采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)的過程中，被檢測(cè)件之中無需安裝阻礙物，也無需安裝可動(dòng)部件，能夠有效的防止堵塞流體流動(dòng)的問題出現(xiàn)，更加適宜測(cè)量相對(duì)不易測(cè)量的流體，對(duì)于大管徑的流體流量測(cè)量同樣具有較大優(yōu)勢(shì)，最高可達(dá)10m以上，這比傳統(tǒng)的流量計(jì)測(cè)量管徑范圍大出很多。

3.3 測(cè)量可靠性較高

采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量的過程中，不管是通過濕工安裝的方式，還是通過外夾安裝的方式，在測(cè)量時(shí)均對(duì)于流體沒有任何影響，不需要外接移動(dòng)部件，也不會(huì)導(dǎo)致流體出現(xiàn)壓力損失。并且，超聲波流量計(jì)所使用的傳感裝置和計(jì)算相連接，通過鎖相環(huán)路連接的方法，確保信息數(shù)據(jù)在傳輸過程中的穩(wěn)定性，能夠有效避免噪音帶來的干擾，確保了測(cè)量過程中所得到數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。

4 超聲波流量計(jì)測(cè)量時(shí)存在的誤差分析

（1）通過公式（4）我們能夠得出，對(duì)于流體流量的計(jì)算，和通道具有的長(zhǎng)度值、通道方向和流體流動(dòng)方向之間的夾角值、輸送流體的管徑截面積以及輸送流體管道的流速分布情況等均存在關(guān)聯(lián)。其中，L、A以及α的值，會(huì)嚴(yán)重影響到超聲波流量計(jì)對(duì)流量測(cè)量的精準(zhǔn)性。L值大小和裝置之中石英晶體與傳感器發(fā)射面位置存在關(guān)聯(lián)性，傳感器的位置又和焊接與流體即之中的接口位置存在關(guān)聯(lián)性。我們以￠400為例進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槌叽缫蛩囟鹫`差大概在±0.19%的范圍之中。

（2）因?yàn)樵诹黧w輸送管道之中， 流體的流速分布呈現(xiàn)出不規(guī)律性，所以，需要通過調(diào)整因子K加以修訂，不過，這樣也無法徹底的避免誤差出現(xiàn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出，單超聲波通道、三超聲波通道以及五超聲波通道的流量計(jì)，計(jì)算誤差通常在±1.1%、±0.5%與±0.4%范圍之中。

（3）由于超聲波在流體中的傳輸時(shí)間計(jì)算精度為10-8s，因此，要是因?yàn)閭鞲衅髯陨淼膯栴}，使得超聲波傳輸時(shí)間在計(jì)量上出現(xiàn)非常微小的誤差，便會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。所以，進(jìn)行超聲波流量計(jì)的標(biāo)定作業(yè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先對(duì)流量計(jì)加以校核。零流量校核即檢驗(yàn)超聲波流量計(jì)測(cè)量管道中未通過流體的情況下，有無流量值的顯示。要是因?yàn)閭鞲衅鞯仍霈F(xiàn)誤差，此時(shí)超聲波流量計(jì)便存在一定的“虛假流量”，也就是雖然沒有流體流動(dòng)，不過超聲波流量計(jì)依舊顯示一定的流量數(shù)值。因?yàn)槌暡髁坑?jì)具有較高的靈敏性，房間之中一些空氣流動(dòng)同樣會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)測(cè)量過程中存在誤差。所以，在進(jìn)行零流量校核過程中，應(yīng)當(dāng)事先安裝好盲板，再向其中充入氮?dú)?，將其放置在溫度恒定的環(huán)境之中。

（4）測(cè)量管道內(nèi)徑存在誤差，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量過程中出現(xiàn)誤差，若是管道內(nèi)徑的誤差值為1%左右，則因此而導(dǎo)致的測(cè)量誤差約為2%。管道的壁厚存在誤差同樣也會(huì)引起測(cè)量誤差。

5 減少超聲波流量計(jì)誤差的措施

5.1 選用適宜的流量計(jì)型號(hào)

不同型號(hào)超聲波流量計(jì)測(cè)量流量范圍存在一定的差異，超聲波流量計(jì)的測(cè)量范圍很大程度上受制于流體流速的影響，在超聲波流量計(jì)型號(hào)選擇時(shí)，應(yīng)當(dāng)依照流體具體的流速，要確保流體流速位于超聲波流量計(jì)的測(cè)量范圍之中。

5.2 確保超聲波流量計(jì)安裝的精確性

在超聲波流量計(jì)安裝的過程中，要防止出現(xiàn)振動(dòng)以及噪音，也不能在有相對(duì)強(qiáng)電磁波干擾的環(huán)境中進(jìn)行安裝。調(diào)壓計(jì)量站應(yīng)用超聲波流量計(jì)，通常是將超聲波流量計(jì)安裝于調(diào)節(jié)閥門前方位置。要保證整個(gè)安裝過程的精確性，確保各個(gè)部件的安裝誤差控制在較小的范圍內(nèi)，從而提升超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度。

5.3 做好維護(hù)工作

在超聲波流量計(jì)的使用階段，應(yīng)當(dāng)做好維護(hù)工作，要定期、及時(shí)的對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行全面檢查，檢查各種儀表之中有無沉積物存在，檢查信號(hào)處理裝置的運(yùn)行是否正常，檢查聲道傳輸是否存在故障等，尤其要檢查超聲波流量計(jì)零流量校核的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)語

在超聲波流量計(jì)的具體應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合流體流量測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)條件和具體工藝參數(shù)加以調(diào)節(jié)，如此，才可以更好確保超聲波流量計(jì)可以達(dá)到流量準(zhǔn)確測(cè)量的要求，盡可能避免誤差的出現(xiàn)。由于導(dǎo)致超聲波流量計(jì)測(cè)量誤差出現(xiàn)的原因非常多，為了盡可能避免誤差的出現(xiàn)，除了采取上述提到了一些措施以外，還能夠通過清理探頭、排查溫度、修訂壓力等手段，有效控制超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，確保測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)性?！?/p>

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