馬龍博，陳果夫，張寧寧

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院 國家液體流量計(jì)量器具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018）

便攜式超聲波流量計(jì)在實(shí)際流量測量中的應(yīng)用非常廣泛。在對便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測量的研究方面，許多學(xué)者做了大量的研究工作，取得了一定的研究成果[1-6]。但對便攜式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對現(xiàn)場流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測或校準(zhǔn)時，作為標(biāo)準(zhǔn)器的溯源方式尚未得到解決。目前由于計(jì)量部門實(shí)驗(yàn)室中的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的管道規(guī)格口徑不可能完全覆蓋現(xiàn)場所有管徑，故無法滿足便攜式超聲波流量計(jì)所有管徑條件的溯源實(shí)驗(yàn)需要，因此急需對便攜式超聲波流量計(jì)在不同規(guī)格管道間的量值溯源關(guān)系問題進(jìn)行研究。

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上[7-14]，首先根據(jù)便攜式超聲波流量計(jì)流量模型，提出了超聲波流量計(jì)特征系數(shù)與管道口徑無關(guān)的結(jié)論，基于該結(jié)論提出了將一種規(guī)格管道上得到的流量計(jì)特征系數(shù)應(yīng)用到其他規(guī)格管道上進(jìn)行流量測量的溯源方法，利用該方法對便攜式超聲波流量計(jì)在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不同管徑上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得了較好的研究結(jié)果，能夠解決便攜式流量計(jì)的量值溯源難題。

1 理論依據(jù)

1.1 基本原理

便攜式超聲波流量計(jì)是利用測量聲波在流動介質(zhì)中傳播的時間與流速的關(guān)系原理來測量管道內(nèi)部的平均流速。如圖1所示，當(dāng)潔凈液體以一定的流速v流過流量傳感器（包括上游換能器B1和下游換能器B2）時，上游換能器B1和下游換能器B2所發(fā)射的超聲波信號分別被下游換能器B2和上游換能器B1所接收，由于超聲波在順流中的傳播時間td和逆流中的傳播時間tu不同，導(dǎo)致上游換能器B1和下游換能器B2接收到的超聲波信號的時間不同，從而產(chǎn)生時間差Δt，該時間差Δt與流過流量傳感器的潔凈液體的平均流速v成正比。根據(jù)這一正比關(guān)系，在測得時間差Δt的情況下，可得到管道內(nèi)部的平均流速v，再根據(jù)該平均流速v與流量q的關(guān)系，即可得到管道內(nèi)部潔凈液體的流量q。

圖1 超聲波通用原理Fig.1 General diagram of ultrasonic flowmeters

1.2 理論模型

超聲波在順流和逆流中傳播長度為L的距離時所用的時間分別為

式中：td為超聲波在順流中的傳播時間；tu為超聲波在逆流中的傳播時間；L為聲道長度；c為超聲波在非流動流體介質(zhì)中的傳播速度；v為管道中介質(zhì)的平均流速；α為聲道角。

令 Δt=tu-td，則由式（1）和式（2）可以得到：

式中：Δt為超聲波在逆流和順流中傳播的時間差。

由式（3）可以得到：

因此，式（4）可以變?yōu)?/p>

由式（5）可以得到：

利用超聲波流量計(jì)測量管道中的流量時，管道中的流體溫度通常為常溫，超聲波在流體中的傳播速度相差較小，故流體溫度為常溫條件時，一般將超聲波在靜止流體中的傳播速度c作為常數(shù)處理；另外，便攜式超聲波流量計(jì)的上游換能器和下游換能器一旦設(shè)計(jì)并制造完成后，無論換能器在何種管道上安裝，其聲道角α均為固定的常數(shù)；而便攜式超聲波流量計(jì)的上游換能器和下游換能器在管道上安裝完畢后，其聲道長度L也變?yōu)槌?shù)。

根據(jù)上述分析并結(jié)合式（6）可知，便攜式超聲波流量計(jì)測量得到的管道中介質(zhì)的平均流速v僅與超聲波在逆流和順流中傳播的時間差Δt成正比，而與其他參數(shù)無關(guān)。為了將超聲波流量計(jì)測量得到的管道內(nèi)的流速轉(zhuǎn)換為管道流量，將式（6）結(jié)合流體流過管道的截面積，并考慮超聲波流量計(jì)自身的信號轉(zhuǎn)換電路、安裝誤差等帶來的影響，在引入k作為超聲波流量計(jì)的特征系數(shù)的條件下可以得到管道中流體的流量為

式中：k為超聲波流量計(jì)的特征系數(shù)，該特征系數(shù)由溯源或出廠檢驗(yàn)時在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上標(biāo)定得到；q為便攜式超聲波流量計(jì)測量得到的管道中的流量；D為管道直徑。

根據(jù)式（7）的推導(dǎo)過程并結(jié)合前述分析可以看出，超聲波流量計(jì)的特征系數(shù)k是用來修正超聲波自身轉(zhuǎn)換電路、安裝誤差等帶來影響的固有系數(shù)，與管道規(guī)格口徑無關(guān)，因此本文就利用超聲波特征系數(shù)的這一固有特性，將超聲波流量計(jì)在某一口徑上標(biāo)定得到的特征系數(shù)，直接應(yīng)用到不同規(guī)格管道上進(jìn)行流量測量，以期獲得較好的研究結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

實(shí)驗(yàn)的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖2所示，主要由動力設(shè)備、水源穩(wěn)壓設(shè)備、前直管段、實(shí)驗(yàn)段、后直管段、背壓管段、開式換向器及工作量器八部分組成。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為水，實(shí)驗(yàn)中水由水泵導(dǎo)入水源穩(wěn)壓裝置，經(jīng)過穩(wěn)壓裝置穩(wěn)定后經(jīng)過一個足夠長的直管段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，再經(jīng)過一個足夠長的后直管段及背壓管段，最后通過雙分流器開式換向器進(jìn)入稱重量器。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Structure diagram of the experiment system

實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)徑分別為50 mm、80 mm和100 mm；穩(wěn)壓容器壓力為0.3 MPa；水的流速為0.3～3 m3/h；水的密度為998 kg/m3；實(shí)驗(yàn)介質(zhì)溫度為常溫。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先將準(zhǔn)確度等級為1.0級的便攜式超聲波流量計(jì)在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的50 mm口徑的管道上進(jìn)行流量測量實(shí)驗(yàn)，得到便攜式超聲波流量計(jì)的特征系數(shù)、示值誤差及重復(fù)性；然后，在不改變便攜式超聲波流量計(jì)特征系數(shù)的條件下，將便攜式超聲波流量計(jì)在100 mm口徑的管道上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到便攜式超聲波流量計(jì)的示值誤差和重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)得到的k系數(shù)為100.59%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

為了更好地研究便攜式超聲波流量計(jì)在相同儀表系數(shù)、2種不同口徑管道上進(jìn)行流量測量時得到的示值誤差的變化趨勢，定義2種不同口徑管道上的相同流速點(diǎn)下得到的示值誤差差值的絕對值作為該流速點(diǎn)下示值誤差的偏移量：

式中：ΔE為2種不同管道口徑的相同流速點(diǎn)下便攜式流量計(jì)的示值誤差的偏移量；E1為一種管道口徑上得到的便攜式流量計(jì)的示值誤差；E2為另一管道口徑上得到的便攜式流量計(jì)的示值誤差。

根據(jù)式（8）可以計(jì)算得到相同流速點(diǎn)下DN50和DN100口徑管道上得到的示值誤差的偏移量，如表3所示。

表1 50 mm口徑下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of the 50 mm pipe diameter

表2 100 mm口徑下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of the 100 mm pipe diameter

表3 示值誤差的偏移量Tab.3 Offset of indicating value error

由表1、表2和表3可以得出：

1）在相同的流速點(diǎn)及不改變流量計(jì)特征系數(shù)條件下，利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量的便攜式超聲波流量計(jì)在不同管徑安裝時的示值誤差均在±1%的范圍內(nèi)，示值誤差的測量重復(fù)性均在0.30%范圍內(nèi)，能滿足超聲流量計(jì)國家計(jì)量檢定規(guī)程的最大允許誤差和重復(fù)性的要求。

2）在不同管徑下的相同流速點(diǎn)，測量得到的便攜式流量計(jì)的示值誤差的變化趨勢并不相同，造成這一結(jié)果的原因是由于管道測量參數(shù)、流量測量探頭安裝位置等均具有誤差，而這一誤差將直接影響便攜式超聲波流量計(jì)的流量測量誤差，反映在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上則出現(xiàn)了上述示值誤差的分布結(jié)果。

3）上述測量結(jié)果，進(jìn)一步證明了特征系數(shù)僅與儀表自身有關(guān)，在一種規(guī)格管道上測量得到的超聲波流量計(jì)特征系數(shù)，可以應(yīng)用到其他規(guī)格管道上進(jìn)行流量測量。

4）由于便攜式超聲波流量計(jì)本身的測量誤差為±1.0%，本文認(rèn)為利用便攜式超聲波流量計(jì)作為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器對現(xiàn)場流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)時，由于現(xiàn)場安裝條件、管道測量參數(shù)及探頭安裝距離等的影響，同時考慮標(biāo)準(zhǔn)器一般應(yīng)滿足被測儀表示值誤差1/3的條件要求，采用便攜式超聲波流量計(jì)校準(zhǔn)被測儀表時，得到的示值誤差滿足±3.0%，則可認(rèn)為被測儀表的示值誤差滿足現(xiàn)場測量的要求。

4 結(jié)語

本文在分析便攜式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對現(xiàn)場流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測或校準(zhǔn)時的溯源問題的基礎(chǔ)上，首先給出了超聲波流量計(jì)的流量測量模型，根據(jù)該模型的推導(dǎo)過程得到了超聲波流量計(jì)的特征系數(shù)與管道規(guī)格口徑無關(guān)的結(jié)論，并基于該結(jié)論提出了將一種規(guī)格管道上得到的便攜式超聲波流量計(jì)特征系數(shù)應(yīng)用到不同規(guī)格管道上進(jìn)行流量測量的溯源方法，利用該方法對便攜式超聲波流量計(jì)在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不同管徑上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得了較好的研究結(jié)果，解決了便攜式流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對現(xiàn)場流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測或校準(zhǔn)時的量值溯源難題。

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