超聲波流量計主要由流量計表體、超聲換能器及其安裝部件、信號處理單元和流量計算機組成。換能器利用壓電效應發射和接收聲波, 通過檢測流體對超聲波 (或超聲脈沖) 的影響來測量流體體積流量。其原理是:傳遞的聲訊號穿過管道內流動的介質時, 其傳遞速度受介質流動速度的影響, 聲訊號在2個傳感器之間的傳遞時間取決于管道內介質的流速, 一個聲訊號通過上游的時間要比它通過下游的時間長。這個時間差值與管道內介質的流速成比例。通過測量這個時間差值就可以得到管道內介質的流速, 從而計算出流體的流量。

超聲波流量計的優點有: (1) 適用于各種管徑流量的測量, 流速和管徑越大, 準確度越高; (2) 測量范圍 (量程比) 寬, 一般為1∶50; (3) 無壓力損失, 可大大降低長輸管道增壓的費用; (4) 無可動部件, 可雙向測量。

但是超聲波流量計也存在其自身不足, 需要輸入的參數比較多, 如被校流量計配套管道的材質、外徑、壁厚、測量介質類型、介質溫度等, 此外, 安裝方式、安裝位置等都會影響到標準超聲波流量計的精度。之前, 已經有相關專業人員研究了傳感器安裝距離對超聲波流量計計量性能的影響和管道內徑的不同設置對超聲波流量計計量性能的影響。而本文主要根據多年來現場校準的經驗以及本單位液體流量標準裝置的口徑 (DN15~DN250) , 制作了三套材質的管道 (分別為不銹鋼、碳鋼和PVC, 口徑分別為DN15/DN50/DN100/DN150/DN200/DN250) (圖1) , 分別標定不同管道材質及不同管徑下標準超聲波流量計的流量修正系數K, 再把流量修正系數K應用到現場校準試驗中, 以提高在線校準的計量精度。

我們定義流量修正系數K為標準流量qs與超聲波流量計顯示流量q的比值, 即:

本實驗所標定的超聲波流量計為0.5級、用于現場校準其他被校流量計的標準超聲波流量計, 此超聲波流量計含有1對傳感器 (即超聲波探頭) , 測量范圍為DN15~DN400。

本實驗所采用的裝置為0.05%、測量口徑為DN15~DN250的靜態質量法液體流量標準裝置。

(1) 將定做的標準管道安裝到裝置上。

(2) 打開超聲波流量計, 把相關參數 (如管道材質、外徑、壁厚、粗糙度、水溫等) 設置好, 并將探頭根據所得到的安裝距離安裝在標準管道上。

(3) 啟動裝置, 檢查密封性, 保證不漏后調節流量至所需流量點, 待流量穩定后進行標定。

(4) 由于現場使用時超聲波流量計的流量值為顯示值, 因此在實驗室標定時, 超聲波流量計的流量值亦通過讀數獲得, 設定每點每次標定的時間為60 s, 在標定時間內, 每隔10 s讀取一個顯示值, 每次可以獲得6個數據, 將這6個數據去掉***大和***小值, 剩余4個做平均, 得到該次的超聲波流量計流量示值 (q) ij, 而標準流量值 (qs) ij由裝置操作軟件得到, 從而算出Kij。

每點進行3次標定, 從而得到Ki:

根據超聲波流量計的特性, 分別在以下5個點進行標定:5、2、1、0.5以及0.3 m/s, 得到各流量點下的Ki, 從而算出超聲波流量計在該管道材質及管徑下的流量修正系數K:

流量修正系數K匯總表如表1所示, K折線圖如圖2所示。

用標準超聲波流量計現場校準一臺DN100的電磁流量計, 管道材質為碳鋼, 超聲波流量計顯示值為qs=85.33 m3/h, 被校電磁流量計顯示值q=86.94 m3/h。

由于此前標準超聲波流量計只在DN100的不銹鋼管道上進行檢定, 沒做不同材質的流量修正系數K實驗, 則此時K使用的是不銹鋼材質的值, 為1.012 3, 標準超聲波流量計顯示值為q's=qs×K=86.38 m3/h, 則示值誤差E'為:

這種情況下應該使用DN100、材質為碳鋼的K值, 查上表, 得K=1.0181, 那么標準超聲波流量計顯示值為q″s=qs×K=86.87 m3/h, 此時示值誤差E″為:

(1) 對于現場校準部分未在實驗室標定過管徑的流量計 (如DN32、DN40、DN65、DN80等) , 可利用實驗室標定過的相鄰兩個管徑的流量修正系數K進行插值得到。如現場校準1臺DN80, 管道材質為不銹鋼的流量計, 可根據DN50和DN100的流量修正系數K80進行現行插值得到:

(2) 標準超聲波流量計每年周檢時, 需更新以上流量修正系數K匯總表。

我們利用單位現有的液體流量標準裝置, 對標準超聲波流量計進行了比較全面的標定, 從標定的結果可以看出, 流量修正系數并沒有一定的規律可尋。對于未能標定的管徑, 可通過線性插值得到其流量修正系數。將標定得到的流量修正系數用于現場校準中, 可提高在線校準的計量精度。