管道對超聲波流量計計量準確度的影響分析

摘 要：管道是超聲波流量計計量準確度的重要影響因素之一，研究管道和示值誤差之間的定量關(guān)系是提高計量準確度的關(guān)鍵。在設定的實(shí)驗條件下，分別改變管道內徑和壁厚兩個(gè)參數，觀(guān)測瞬時(shí)流量的變化情況。根據實(shí)驗數據得到兩者與流量誤差的數學(xué)關(guān)系模型，進(jìn)而計算得到管道與瞬時(shí)流量的數學(xué)模型，可以定量的表述管道變化對超聲波流量計計量準確度的影響，由此實(shí)現對其計量準確度的有效修正。

關(guān)鍵字：超聲波流量計 計量準確度 管道 內徑 壁厚 數學(xué)模型

    0 引言

    隨著(zhù)現代化工業(yè)及電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波流量計越來(lái)越多的應用到石油、化工、冶金、電力、給排水等多方面，其方便攜帶和安裝的特性使其得到普遍青睞。但受現場(chǎng)環(huán)境、安裝方式、測量準確度等方面的影響，其計量準確度有待進(jìn)一步的提高。特別是作為標準表校準或檢定其他流量計時(shí)，其計量準確性顯得尤為重要和關(guān)鍵。影響超聲波流量計計量準確度的因素有多方面，包括現場(chǎng)環(huán)境、流體介質(zhì)、安裝管道、安裝方式等。所以，理清它們與計量準確度之間的定量關(guān)系，成為提高超聲波流量計計量準確度的關(guān)鍵所在。

    本文主要研究安裝管道對超聲波流量計計量準確度的影響。安裝管道包括管道的材質(zhì)、內徑、壁厚等。由于管道材質(zhì)比較容易確定，不存在爭議，所以本文重點(diǎn)研究管道內徑和壁厚兩個(gè)因素。在實(shí)驗室環(huán)境下，利用實(shí)驗室的標準裝置和計量器具進(jìn)行多組實(shí)驗，從管道內徑和壁厚兩個(gè)方面分別研究與超聲波流量計瞬時(shí)流量之間的關(guān)系，以期從大量數據中分析他們之間的定量關(guān)系。進(jìn)而綜合兩個(gè)方面的因素，建立管道與超聲波流量計計量準確度的數學(xué)模型，從而定量研究?jì)烧咧�間的相關(guān)關(guān)系。

    1 實(shí)驗條件

    實(shí)驗室環(huán)境溫度：28.2℃，相對濕度35%RH。研究采用PT878液體超聲波流量計（GEPanametrics），準確度等級為0.5級，是在用的標準計量器具。實(shí)驗使用的標準裝置是靜態(tài)水流量標準裝置，準確度等級為0.05級。

    流量計安裝在DN200mm的標準直管道上，管道長(cháng)度為6000mm，內徑為200.00mm，壁厚為4.60mm，材質(zhì)為碳鋼，無(wú)襯里，標準安裝距離：184.29mm，V法安裝，介質(zhì)為循環(huán)水，介質(zhì)溫度為29.2℃，信號強度63.2，瞬時(shí)流量設為200.00m³/h。

    2 管道內徑與瞬時(shí)流量的關(guān)系

    眾多研究表明，在用超聲波流量計進(jìn)行流量計量時(shí)，管道內徑的準確輸入對流量的精確度影響很大。但兩者之間究竟是怎樣的定量關(guān)系卻沒(méi)有一個(gè)明確答案。有人提出管道內徑誤差±1%會(huì )相應引起±2%的流量誤差，但這一概念比較模糊；也有人針對這一問(wèn)題做過(guò)一些實(shí)驗，但也只是證明了流量受內徑的影響很大。

    本實(shí)驗的標準管道內徑是200.00mm，超聲波流量計瞬時(shí)流量為200.07m³/h。在實(shí)驗環(huán)境、操作方法和其他參數保持不變的前提下，分別設定相對誤差為±1%、±3%、±5%、±10%的內徑，觀(guān)察瞬時(shí)流量的變化。分別輸入設定的管道內徑，等待瞬時(shí)流量穩定5min，采用多次讀數取平均值的方法（n=10）讀取瞬時(shí)流量的值。

    對實(shí)驗數據進(jìn)行分析和計算，得到表1。從表中的數據可以得出如下結論：（1）超聲波流量計的瞬時(shí)流量隨內徑的增大而增大，反之亦然，即瞬時(shí)流量與內徑成正比關(guān)系；（2）瞬時(shí)流量的誤差隨內徑誤差的增大而增大，誤差比在1.5～2.5之間；（3）根據實(shí)驗數據擬合瞬時(shí)流量誤差與內徑誤差的數學(xué)關(guān)系模型為（見(jiàn)圖1）。

    y=1.9997x1+0.117     （1）

    式中：y—瞬時(shí)流量相對誤差，%；

    x₁—內徑相對誤差，%。

    r²=0.9925。

表1 管道內徑與瞬時(shí)流量的誤差關(guān)系

    根據這一數學(xué)模型可以定量描述瞬時(shí)流量與管道內徑之間的關(guān)系。只要知道了內徑的相對誤差，即可代入模型，得出瞬時(shí)流量的相對誤差，從而實(shí)現對超聲波流量計瞬時(shí)流量地有效修正。

圖1 流量誤差與內徑誤差的數學(xué)關(guān)系模型

    在實(shí)際使用中，由于污垢、介質(zhì)的沉淀，管道內徑逐漸變小，內徑實(shí)際值逐漸減小，即其輸入值偏離實(shí)際值越來(lái)越大，測得的瞬時(shí)流量也就偏離實(shí)際流量越來(lái)越遠�？梢�(jiàn)，管道內徑值的正確輸入對超聲波流量計的精確計量至關(guān)重要。所以，有必要針對管道內徑作定期的測量，在不方便改變流量計參數設置和安裝現狀的情況下，可以根據數學(xué)模型對測得的瞬時(shí)流量進(jìn)行有效修正，從而避免內徑誤差對流量計計量準確度的影響。

    3 管道壁厚與瞬時(shí)流量的關(guān)系

    本實(shí)驗的標準管道壁厚是4.60mm，超聲波流量計瞬時(shí)流量為200.10m³/h。在實(shí)驗環(huán)境、操作方法和其他參數保持不變的前提下，改變壁厚的設定值，觀(guān)察瞬時(shí)流量的變化，如表2所示。根據兩者的相對誤差可以分析得出：瞬時(shí)流量的變化與壁厚成反比關(guān)系，即壁厚減小時(shí)瞬時(shí)流量增大，反之亦然；瞬時(shí)流量誤差隨壁厚誤差增大而增大，兩者基本成線(xiàn)性關(guān)系；擬合瞬時(shí)流量誤差和壁厚誤差的關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2），得到數學(xué)關(guān)系模型：

    y=-0.0477x₂-0.5651    （2）

    式中：y—瞬時(shí)流量相對誤差，%；

    x₂—壁厚相對誤差，%。

    r²=0.9657。

表2 管道壁厚與瞬時(shí)流量的誤差關(guān)系

圖2 流量誤差與壁厚誤差的數學(xué)關(guān)系模型

    4 管道與瞬時(shí)流量的關(guān)系

    以上針對管道內徑和壁厚的實(shí)驗均是在不改變其他參數的前提下進(jìn)行的。但在實(shí)際情況下卻是不同的。眾所周知，在管道外徑一定的情況下，內徑和壁厚的和也是一定的，即內徑增加時(shí)壁厚減小，反之亦然。用數學(xué)公式表達為

    a+2b=c   （3）

    式中：a—內徑；

    b——壁厚；

    c—外徑（設定管道無(wú)村里）。

    在實(shí)際使用中，受介質(zhì)污垢沉淀的影響，a會(huì )減小，b會(huì )增加，c卻保持不變，設為常數。

    設定受污垢沉淀的影響，管道壁厚b增加m，則根據式（3），內徑a減少2m；壁厚相對誤差x₂=m/b，內徑相對誤差x₁=2m/a；又a=c-2b，b=m/x₂，所以：

    2m（1/x₁+1/x₂）=c     （4）

    根據式（1）、式（2）和式（4），得到瞬時(shí)流量誤差y和管道壁厚增加m的關(guān)系式：

        （5）

    由于管道外徑c為常數，所以設x=m/c，即x為壁厚變化量與外徑的比值。則：

        （6）

    這便得到管道與超聲波流量計計量準確度的數學(xué)模型。在確定管道變化量（即知道了x的值）后就能夠計算出流量計的計量誤差（即流量誤差y）。

    5 結束語(yǔ)

    研究表明，管道對超聲波流量計計量準確度的影響很大，本文針對這一問(wèn)題從管道內徑和壁厚兩個(gè)方面分別進(jìn)行實(shí)驗，得出他們與流量誤差之間的數學(xué)模型，同時(shí)根據兩者之間的數學(xué)關(guān)系得到管道與流量誤差的數學(xué)模型，很好地表達了管道變化與流量誤差之間的定量關(guān)系。

    已知改變了管道參數，則超聲波流量計安裝位置就會(huì )發(fā)生改變。而在實(shí)際使用中，流量計一旦安裝就不方便輕易移動(dòng)，特別是插入式的流量計。本文的研究成果可以很好地避免這一難題，通過(guò)數學(xué)模型有效實(shí)現了對流量誤差的修正，從而提高流量計的計量準確度。

    本文運用數學(xué)模型表達出管道與超聲波流量計計量準確度的關(guān)系，對于超聲波流量計計量準確度影響因素的定量研究起到了一定的引導作用。同時(shí)，計量準確度的影響因素還有介質(zhì)參數、安裝方式等方面，有待進(jìn)一步完善。