超聲波流量計(jì)主要由流量計(jì)表體、超聲換能器及其安裝部件、信號(hào)處理單元和流量計(jì)算機(jī)組成。換能器利用壓電效應(yīng)發(fā)射和接收聲波, 通過檢測流體對(duì)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(hào)穿過管道內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)時(shí), 其傳遞速度受介質(zhì)流動(dòng)速度的影響, 聲訊號(hào)在2個(gè)傳感器之間的傳遞時(shí)間取決于管道內(nèi)介質(zhì)的流速, 一個(gè)聲訊號(hào)通過上游的時(shí)間要比它通過下游的時(shí)間長。這個(gè)時(shí)間差值與管道內(nèi)介質(zhì)的流速成比例。通過測量這個(gè)時(shí)間差值就可以得到管道內(nèi)介質(zhì)的流速, 從而計(jì)算出流體的流量。

超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有: (1) 適用于各種管徑流量的測量, 流速和管徑越大, 準(zhǔn)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(fèi)用; (4) 無可動(dòng)部件, 可雙向測量。

但是超聲波流量計(jì)也存在其自身不足, 需要輸入的參數(shù)比較多, 如被校流量計(jì)配套管道的材質(zhì)、外徑、壁厚、測量介質(zhì)類型、介質(zhì)溫度等, 此外, 安裝方式、安裝位置等都會(huì)影響到標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)的精度。之前, 已經(jīng)有相關(guān)專業(yè)人員研究了傳感器安裝距離對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量性能的影響和管道內(nèi)徑的不同設(shè)置對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量性能的影響。而本文主要根據(jù)多年來現(xiàn)場校準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)以及本單位液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的口徑 (DN15~DN250) , 制作了三套材質(zhì)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(biāo)定不同管道材質(zhì)及不同管徑下標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)的流量修正系數(shù)K, 再把流量修正系數(shù)K應(yīng)用到現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)中, 以提高在線校準(zhǔn)的計(jì)量精度。

我們定義流量修正系數(shù)K為標(biāo)準(zhǔn)流量qs與超聲波流量計(jì)顯示流量q的比值, 即:

本實(shí)驗(yàn)所標(biāo)定的超聲波流量計(jì)為0.5級(jí)、用于現(xiàn)場校準(zhǔn)其他被校流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì), 此超聲波流量計(jì)含有1對(duì)傳感器 (即超聲波探頭) , 測量范圍為DN15~DN400。

本實(shí)驗(yàn)所采用的裝置為0.05%、測量口徑為DN15~DN250的靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

(1) 將定做的標(biāo)準(zhǔn)管道安裝到裝置上。

(2) 打開超聲波流量計(jì), 把相關(guān)參數(shù) (如管道材質(zhì)、外徑、壁厚、粗糙度、水溫等) 設(shè)置好, 并將探頭根據(jù)所得到的安裝距離安裝在標(biāo)準(zhǔn)管道上。

(3) 啟動(dòng)裝置, 檢查密封性, 保證不漏后調(diào)節(jié)流量至所需流量點(diǎn), 待流量穩(wěn)定后進(jìn)行標(biāo)定。

(4) 由于現(xiàn)場使用時(shí)超聲波流量計(jì)的流量值為顯示值, 因此在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定時(shí), 超聲波流量計(jì)的流量值亦通過讀數(shù)獲得, 設(shè)定每點(diǎn)每次標(biāo)定的時(shí)間為60 s, 在標(biāo)定時(shí)間內(nèi), 每隔10 s讀取一個(gè)顯示值, 每次可以獲得6個(gè)數(shù)據(jù), 將這6個(gè)數(shù)據(jù)去掉***大和***小值, 剩余4個(gè)做平均, 得到該次的超聲波流量計(jì)流量示值 (q) ij, 而標(biāo)準(zhǔn)流量值 (qs) ij由裝置操作軟件得到, 從而算出Kij。

每點(diǎn)進(jìn)行3次標(biāo)定, 從而得到Ki:

根據(jù)超聲波流量計(jì)的特性, 分別在以下5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定:5、2、1、0.5以及0.3 m/s, 得到各流量點(diǎn)下的Ki, 從而算出超聲波流量計(jì)在該管道材質(zhì)及管徑下的流量修正系數(shù)K:

流量修正系數(shù)K匯總表如表1所示, K折線圖如圖2所示。

用標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)現(xiàn)場校準(zhǔn)一臺(tái)DN100的電磁流量計(jì), 管道材質(zhì)為碳鋼, 超聲波流量計(jì)顯示值為qs=85.33 m3/h, 被校電磁流量計(jì)顯示值q=86.94 m3/h。

由于此前標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)只在DN100的不銹鋼管道上進(jìn)行檢定, 沒做不同材質(zhì)的流量修正系數(shù)K實(shí)驗(yàn), 則此時(shí)K使用的是不銹鋼材質(zhì)的值, 為1.012 3, 標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)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(yīng)該使用DN100、材質(zhì)為碳鋼的K值, 查上表, 得K=1.0181, 那么標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)顯示值為q″s=qs×K=86.87 m3/h, 此時(shí)示值誤差E″為:

(1) 對(duì)于現(xiàn)場校準(zhǔn)部分未在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定過管徑的流量計(jì) (如DN32、DN40、DN65、DN80等) , 可利用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定過的相鄰兩個(gè)管徑的流量修正系數(shù)K進(jìn)行插值得到。如現(xiàn)場校準(zhǔn)1臺(tái)DN80, 管道材質(zhì)為不銹鋼的流量計(jì), 可根據(jù)DN50和DN100的流量修正系數(shù)K80進(jìn)行現(xiàn)行插值得到:

(2) 標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)每年周檢時(shí), 需更新以上流量修正系數(shù)K匯總表。

我們利用單位現(xiàn)有的液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置, 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)進(jìn)行了比較全面的標(biāo)定, 從標(biāo)定的結(jié)果可以看出, 流量修正系數(shù)并沒有一定的規(guī)律可尋。對(duì)于未能標(biāo)定的管徑, 可通過線性插值得到其流量修正系數(shù)。將標(biāo)定得到的流量修正系數(shù)用于現(xiàn)場校準(zhǔn)中, 可提高在線校準(zhǔn)的計(jì)量精度。