提高便攜式超聲波流量計測量精度的試驗研究

摘 要：便攜式超聲波流量計在生產(chǎn)時(shí)廠(chǎng)家內置一固定的流速修正系數，在實(shí)際使用中通過(guò)調整儀表系數來(lái)滿(mǎn)足測量精度。但此方法無(wú)法保證儀器在全量程范圍內均保證較高的測量精度。通過(guò)流體在紊流狀態(tài)下流速修正系數的表達式，修正便攜式超聲波流量計的儀表系數可有效提高儀器在全量程內的測量精度。

1 引言

便攜式超聲波流量計以其非接觸測量方式、體積小、重量輕、攜帶方便，傳感器的安裝簡(jiǎn)單容易，測量過(guò)程不需破壞管道，不需停產(chǎn)，傳感器不與被測介質(zhì)接觸、無(wú)壓損等特點(diǎn)廣泛應用于自來(lái)水、環(huán)保、發(fā)電廠(chǎng)供暖、冶金、礦山、石油、化工、食品、醫藥、造紙、鋼鐵等工礦企業(yè)，并應用于節能監測，流量網(wǎng)絡(luò )監控等。

便攜式超聲波流量計按工作原理分為時(shí)差式和多普勒式，現如今應用最廣泛的是時(shí)差式便攜式超聲波流量計。其是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來(lái)測量流體流量的。時(shí)差式便攜式超聲波流量計測量管內流速是測量沿超聲波傳播途徑上的線(xiàn)平均速度而不是沿管道截面平均分布的面平均速度。因此，需要將超聲波流量計測量出的線(xiàn)平均速度準確的轉換為管道截面的面平均速度，才能保證超聲波流量計的測量準確性。

2 理論分析

在實(shí)際工程中，流體都是粘性介質(zhì)，粘性流體一般以?xún)煞N狀態(tài)存在，即層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)、一般來(lái)說(shuō)，當流體流動(dòng)的雷諾數Re小于2320時(shí)為層流狀態(tài)，當流體流動(dòng)的雷諾數Re大于13000時(shí)為紊流狀態(tài)。當流體流動(dòng)的雷諾數Re在兩者之間時(shí)，流體處于過(guò)渡區間，不穩定。

天津計量院使用FSC富士便攜式超聲波流量計主要用于對水廠(chǎng)和污水處理廠(chǎng)等節能環(huán)保單位使用的大口徑電磁流量計和超聲波流量計進(jìn)行現場(chǎng)校準工作，設備可測量的最大口徑為6000mm。被校準的流量計口徑一般在500mm~1500mm之間，流速一般在0.5m/s~3m/s之間，由雷諾數計算公式可知，被測流體的雷諾數在250000~4500000之間。因此，被測流體的流動(dòng)狀態(tài)處于完全紊流狀態(tài)。

已知在紊流狀態(tài)下，流速修正系數K可寫(xiě)成雷諾數的函數：

式中vs為介質(zhì)在圓管內的面平均速度，vl為介質(zhì)在圓管內的線(xiàn)平均速度。

從上圖可以看出，雷諾數在250000~4500000之間，流速修正系數的變化值超過(guò)1%。如在更寬的測量范圍內，流速修正系數的變化范圍將會(huì )更大。再加上其他一些不可控因素的影響，無(wú)法滿(mǎn)足在全量程范圍內0.5級的校準精度。

便攜式超聲波流量計在出廠(chǎng)前，廠(chǎng)家事先內置一個(gè)固定的流速修正系數，并設置一個(gè)可調的標定系數。用戶(hù)在使用前將便攜式超聲波流量計送到計量檢定部門(mén)進(jìn)行標定，根據標定的結果調整儀表系數。但此儀表系數僅在一定的流量范圍內是有效的，在實(shí)際使用中的流量如超過(guò)標定的流量范圍，將不能保證便攜式超聲波流量計的測量精度。

便攜式超聲波流量計在出廠(chǎng)時(shí)儀表系數均為1.0000，在實(shí)際測量過(guò)程中通過(guò)公式（1）計算不同口徑、不同流速下流速修正系數，通過(guò)調整儀表系數來(lái)修正超聲波流量計的測量誤差。

圖1 流速修正系數圖

3 試驗

按照《富士便攜式超聲波流量計說(shuō)明書(shū)》的要求，將流量計探頭安裝在液體流量標準裝置上。分別測量口徑為500mm、1000mm、1500mm，流速分別為0.5m/s、1.5m/s、3.0m/s時(shí)經(jīng)過(guò)儀表系數修正后，便攜式超聲波流量計的測量誤差。使用液體流量標準裝置對便攜式超聲波流量計進(jìn)行校準，通過(guò)比較液體流量標準裝置的標準表（電磁流量計）與超聲波流量計的瞬時(shí)流量示值來(lái)驗證本文使用的通過(guò)流速修正系數的公式調整儀表系數方法來(lái)提高便攜式超聲波流量計測量精度的有效性。

表1 試驗結果

4 結語(yǔ)

從表1的試驗結果可以看出，使用流速修正系數公式調整儀表系數的方法使得便攜式超聲波流量計在常用的測量范圍內測量誤差均保持在0.5%之內，在寬量程范圍內，有效的提高了便攜式超聲波流量計的測量精度，達到預期效果。