戴鐵兵

摘 要：本文主要分析了便攜式超聲波流量計(jì)在管線測(cè)量過(guò)程中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量結(jié)果可能產(chǎn)生影響的幾點(diǎn)因素，并提出了相應(yīng)的測(cè)量方法。同時(shí)也對(duì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)不確定度進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：便攜式;超聲波流量計(jì);時(shí)差法;不確定度

1 引言

現(xiàn)階段，便攜式超聲波流量計(jì)使用面比較廣泛，比如水務(wù)部門地下水資源計(jì)量?jī)x表在線監(jiān)測(cè)、環(huán)保部門計(jì)量?jī)x表在線監(jiān)測(cè)、供水部門計(jì)量?jī)x表在線監(jiān)測(cè)、熱力部門計(jì)量?jī)x表在線監(jiān)測(cè)等。本文主要分析了便攜式超聲波流量計(jì)在使用過(guò)程中可能會(huì)遇到的影響因素并給出了一些建議，同時(shí)也對(duì)測(cè)量過(guò)程的不確定度進(jìn)行了分析，為超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確使用提供了參考。

2 對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響的主要因素

2.1 溫度

便攜式的超聲波流量計(jì)的探頭材質(zhì)因價(jià)格高低而不同，生產(chǎn)廠家會(huì)根據(jù)不同用戶的個(gè)性需求選擇不同的材質(zhì)進(jìn)行制作。另外，隨著介質(zhì)溫度不斷的升高，介質(zhì)的性質(zhì)和性能也可能會(huì)發(fā)生一些變化，生產(chǎn)者會(huì)結(jié)合實(shí)際情況選用一些修正方法來(lái)減少因溫度變化造成精確度的影響。因此，操作使用者在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中需要嚴(yán)格遵循流量計(jì)探頭的適用范圍，避免因不在適用范圍內(nèi)測(cè)量而造成的測(cè)量誤差或無(wú)法測(cè)量情況出現(xiàn)。另外，也存在一些超聲波流量計(jì)設(shè)置有溫度范圍的選項(xiàng)程序，針對(duì)不同溫度選擇合適的溫度范圍。但是，這種選擇程序也可能會(huì)對(duì)測(cè)量有一定程度的影響，因此操作者在使用的過(guò)程中要根據(jù)操作手冊(cè)的要求進(jìn)行來(lái)保證測(cè)量結(jié)果的精確性。溫度過(guò)高可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成耦合劑濃度降低失去測(cè)量作用，從而會(huì)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果誤差大、無(wú)法測(cè)量的情況。

2.2 直徑

超聲波流量計(jì)的工作原理是：超聲波流量計(jì)測(cè)量出來(lái)的結(jié)果是被測(cè)量管道內(nèi)的平均流速，流量是通過(guò)測(cè)得的流速與面積經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的，因此，精確測(cè)量出管道的面積可以有效的減少測(cè)量誤差。管道面積的測(cè)量時(shí)通過(guò)直徑測(cè)量計(jì)算得出的，首先需要使用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量管道的厚度，接下來(lái)計(jì)算出管道的直徑從而計(jì)算出管道面積。然而，在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中這種方法可能就會(huì)有一定的誤差，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在測(cè)量的管道大多數(shù)都使用了一段時(shí)間，管道內(nèi)部肯定避免不了有結(jié)垢的地方，甚至一些地方的結(jié)垢厚度會(huì)超過(guò)10mm。但是，這些結(jié)垢的厚度暫時(shí)還沒(méi)有能夠在管道外部就可以精準(zhǔn)測(cè)量的方法和儀器。所以測(cè)量數(shù)據(jù)在和在線流量計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比之后就會(huì)發(fā)現(xiàn)在線流量計(jì)顯示的流量要比超聲波測(cè)量計(jì)顯示的流量要小，這是因?yàn)榱髁坑?jì)是新安裝的，內(nèi)部沒(méi)有結(jié)垢。

因此，在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際情況盡可能的得到管道厚度的精確值。管道如果是最近安裝的，就不需要考慮管道會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢的情況，可以直接將測(cè)量結(jié)果作為直徑應(yīng)用。如果管道安裝了一段時(shí)間，就需要考慮結(jié)垢的厚度。有以下幾種方法可以提供參考：一是如果工作管道可以停止，可以對(duì)管道進(jìn)行拆開(kāi)然后測(cè)量結(jié)垢的厚度;二是對(duì)于無(wú)法停止拆卸的管道可以找一條和這個(gè)管道相同的可拆卸的管道進(jìn)行結(jié)垢厚度測(cè)量;三是可以先估量一個(gè)結(jié)垢的厚度進(jìn)行計(jì)算，在之后可以拆卸管道的時(shí)候在進(jìn)行測(cè)量，對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正;四是對(duì)于口徑大、管道長(zhǎng)的企業(yè)，可以設(shè)置一段專門用來(lái)測(cè)量的管道作為實(shí)驗(yàn)管線計(jì)算流量面積。

2.3 電磁場(chǎng)影響

在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)不管探頭位置如何調(diào)整，信號(hào)強(qiáng)度很弱或沒(méi)有信號(hào)，無(wú)法對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量。這種情況下，就需要對(duì)管道周圍的環(huán)境進(jìn)行檢查，確認(rèn)是否存在強(qiáng)磁場(chǎng)的影響。比如，在管道附近是否安裝有大功率的變壓器、水泵、啟動(dòng)器等大型電器設(shè)備，與管道并排鋪設(shè)的是否有電纜、電線排等。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在距離測(cè)量點(diǎn)4m左右的高壓電線就會(huì)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)造成嚴(yán)重的影響。在現(xiàn)實(shí)生活中，并不是所有人對(duì)超聲波流量計(jì)的工作原理都很熟悉，因此會(huì)有不少流量計(jì)被安裝在電磁場(chǎng)影響較大的位置，如泵房、高壓線附近。這種環(huán)境下，這些大型的電器設(shè)備就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)就會(huì)導(dǎo)致超聲波流量計(jì)信號(hào)接收功能無(wú)法正常使用，造成無(wú)法測(cè)量的情況。

2.4 測(cè)量位置的選擇

測(cè)量位置的選擇有相關(guān)的規(guī)定，速度式的儀表需要安裝在直管段，并且直管段的長(zhǎng)度最少為管道直徑的15倍，安裝點(diǎn)需要控制在直管段上游10倍管徑處、下游5倍管徑處?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中也要盡可能的去選擇滿足這個(gè)規(guī)定的檢測(cè)點(diǎn)，但是實(shí)際情況是很多檢測(cè)點(diǎn)都無(wú)法滿足這些要求，盡管直管段達(dá)到要求了也不一定是理想的測(cè)量點(diǎn)。根據(jù)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，需要考慮一下幾點(diǎn)：根據(jù)實(shí)際情況盡量滿足測(cè)量的規(guī)程規(guī)定;如果找不到滿足直管段要求的檢測(cè)點(diǎn)，應(yīng)該選擇測(cè)量點(diǎn)上游管道對(duì)流動(dòng)影響很小的位置（盡可能避開(kāi)彎頭這些流量、壓力損失比較大的位置）;在同一條管道中選擇位置相對(duì)低的地方進(jìn)行測(cè)量，這樣流體就會(huì)盡可能的充滿管道;選擇水平管道的時(shí)候不要在管道的上方進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)榭赡軙?huì)存在管道未充滿，上方存在氣體的情況;對(duì)垂直設(shè)立的管道進(jìn)行測(cè)量時(shí)要選擇流體流向向上流動(dòng)的管道，這種管道正常情況下會(huì)充滿流體。

2.5 超聲波流量計(jì)探頭的安裝方式

超聲波流量計(jì)探頭的安裝方式一般有兩種，V法安裝和Z法安裝。V法安裝適用于管徑小于200mm的管道;Z法安裝適用于管徑大于200mm的管道。V法安裝的要求是：首先要確定一個(gè)點(diǎn)，然后根據(jù)安裝距離在水平位置定位出另一個(gè)點(diǎn);Z法安裝的要求是：首先確定一個(gè)點(diǎn)，然后根據(jù)安裝距離在水平位置定位出另一個(gè)點(diǎn)，然后再測(cè)出此點(diǎn)在管道另一側(cè)的對(duì)稱點(diǎn)。

3 時(shí)差法超聲波流量計(jì)不確定度分析

使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量可以分成兩種情況，一種是利用超聲波流量計(jì)對(duì)管道上安裝的流量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量，比較兩者的數(shù)值，從而檢測(cè)流量計(jì)是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn);另一種就是對(duì)管道上沒(méi)有安裝流量?jī)x表的管道進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)超聲波流量計(jì)顯示的數(shù)值就是管道中的實(shí)際流量。這兩種情況下測(cè)量結(jié)果用途不同，評(píng)定方式也不完全一致。例如，第一種情況的測(cè)量的目的在于調(diào)整流量?jī)x到合格的范圍;第二種情況是為了測(cè)出管道的實(shí)時(shí)流量。

第一種情況的不確定度分析：在管道上安裝有流量?jī)x表的情況下，利用超聲波流量計(jì)對(duì)管道進(jìn)行多次的測(cè)量然后將測(cè)量結(jié)果和流量?jī)x表顯示的數(shù)值進(jìn)行對(duì)標(biāo)，最后確定流量?jī)x表的誤差。

根據(jù)一般相對(duì)誤差的表達(dá)式可以得出：

其中δ表示的是流量?jī)x表的相對(duì)誤差（%），q安裝流量?jī)x的瞬時(shí)平均值（m3/h），q0是超聲波流量計(jì)測(cè)得的瞬時(shí)流量平均值（m3/h）。

實(shí)際測(cè)得的流量值具有不穩(wěn)定性，不管是超聲波流量計(jì)還是已安裝的流量?jī)x都難以獲取到瞬時(shí)的流量值，所以需要經(jīng)過(guò)多次測(cè)量取測(cè)量的平均值，即從某一時(shí)刻開(kāi)始同時(shí)讀取兩個(gè)流量計(jì)的數(shù)值，連續(xù)讀取十到二十次，取平均值。這時(shí)數(shù)學(xué)表達(dá)式就是：

其中δr是被測(cè)流量計(jì)的測(cè)量重復(fù)性（%），δ0是超聲波流量計(jì)的測(cè)量重復(fù)性（%）。

不確定度就是：

第二種情況的不確定度分析：在管道上沒(méi)有安裝流量?jī)x的情況下，流量大多相對(duì)穩(wěn)定，我們給出的是在測(cè)量條件下的瞬時(shí)流量，即經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到的平均流量。

其中，q為平均瞬時(shí)流量值（m3/h），qi是第i次的瞬時(shí)流量值（m3/h）。這時(shí)的測(cè)量結(jié)果不確定度和超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度和測(cè)量的重復(fù)性有關(guān)，不確定度為：

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析和討論，總結(jié)出了一些超聲波流量計(jì)的測(cè)量方法和技巧，同時(shí)也給出了修正測(cè)量誤差的參考標(biāo)準(zhǔn)，為超聲波流量計(jì)在實(shí)際的使用過(guò)程中可以充分發(fā)揮作用提供了參考。

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