根據(jù)測(cè)量原理不同，流量計(jì)可分多種類別，應(yīng)用較廣泛的有:電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、容積式流量計(jì)等。其中，超聲波流量計(jì)采用先進(jìn)的多脈沖技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和糾錯(cuò)技術(shù)，使流量計(jì)更適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。儀器的流路沒有障礙，因此它是一種無(wú)阻礙流量計(jì)，適用于解決流量測(cè)量的難題，特別是大口徑管道流量測(cè)量。因其安裝方便、通用性好，計(jì)量更準(zhǔn)確，被廣泛應(yīng)用于一般性工業(yè)生產(chǎn)和重點(diǎn)能源建設(shè)等領(lǐng)域。湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院張遙奇等研究了液體流場(chǎng)變化對(duì)超聲流量計(jì)測(cè)量精度的影響,并給出具體的使用建議。

1、超聲波流量計(jì)工作原理及其特點(diǎn)

超聲波流量計(jì)中的傳感器稱為換能器，變送器稱為流量顯示累積系統(tǒng)，二者是超聲波流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分。使用鑄鐵酸鉛壓電元件作為傳感器實(shí)現(xiàn)聲波發(fā)射和接收，因流體影響聲波的傳輸，從而計(jì)算出介質(zhì)流速。

根據(jù)傳感器的安裝方式不同，接觸式和外夾式為超聲波流量計(jì)兩種主要的安裝形式，常用的是外夾式超聲波流量計(jì)。

超聲波流量計(jì)的工作原理如圖1所示，其傳感器一般成對(duì)使用，共同組成一套發(fā)射和接收通道。超聲波*先由發(fā)射換能器發(fā)出，穿過(guò)介質(zhì)和管壁，經(jīng)對(duì)面管壁反射后再次穿過(guò)介質(zhì)和管壁，被接收換能器接收，利用聲波在順流和逆流中傳播的時(shí)間差計(jì)算出被測(cè)液體的流速。

下游探頭B接收上游探頭A發(fā)射的超聲波信號(hào)的時(shí)間為t1，上游探頭A接收的下游探頭B發(fā)射的超聲波信號(hào)的時(shí)間記為t2。液體介質(zhì)在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，順流則超聲波信號(hào)傳輸速度加快，逆流超聲波信號(hào)傳輸速度減慢。兩個(gè)探頭間的距離為L(zhǎng)，液體流速為V，超聲波和流體在管道中的流動(dòng)夾角為φ、傳播速度為c，則有

超聲波流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)抗干擾能力強(qiáng)。超聲波流量獨(dú)特的信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)，與聲音在介質(zhì)中的傳播速度、被測(cè)流體的性質(zhì)(如溫度、壓力等)無(wú)關(guān)，測(cè)量信號(hào)更穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

2)可進(jìn)行雙向測(cè)量。測(cè)量流量時(shí)，聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間與超聲波流量計(jì)示值呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系，對(duì)于正反方向的流動(dòng)都適用，因此可對(duì)介質(zhì)流量進(jìn)行雙向測(cè)量。

3)計(jì)量更準(zhǔn)確。使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可不破壞已建成管道，因此在流體中因安裝測(cè)量元件產(chǎn)生的附加阻力從而改變流體的流動(dòng)狀態(tài)的現(xiàn)象不再出現(xiàn)，大大提高了測(cè)量的精度。

2、流場(chǎng)變化影響實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲波流量計(jì)工作原理，當(dāng)管線內(nèi)液體流場(chǎng)不穩(wěn)定時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致管線內(nèi)介質(zhì)流速出現(xiàn)較大變化或者同一截面內(nèi)流速不均勻的情況，聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間就會(huì)受到影響，從而有可能導(dǎo)致測(cè)量的流速偏差較大。

為驗(yàn)證流場(chǎng)對(duì)超聲流量計(jì)的影響，在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置DN200管線上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試方法為標(biāo)準(zhǔn)表法。流場(chǎng)中的阻流件用一個(gè)同口徑閘閥代替，通過(guò)調(diào)節(jié)其開度大小形成強(qiáng)度不一的流場(chǎng)擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為單聲道超聲波流量計(jì)，安裝方式為V法水平安裝。選擇340m3/h、113m3/h和34m3/h三個(gè)流量點(diǎn)，每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)量3次，每次測(cè)試時(shí)間為180s。實(shí)驗(yàn)中前后直管段均滿足安裝要求，設(shè)置以下三種工況條件，測(cè)試閘閥開度比例和旋轉(zhuǎn)角度對(duì)流量示值的影響:

工況1:未安裝閘閥，測(cè)量超聲波流量計(jì)的示值誤差;

工況2:安裝閘閥，測(cè)量閘閥分別處于全開、開75%、開50%三種開度時(shí)超聲波流量計(jì)的示值誤差;

工況3:閘閥50%開度不變，測(cè)量閘閥旋轉(zhuǎn)5°和10°超聲波流量計(jì)的示值誤差。

工況1為超聲波流量計(jì)的理想工作狀態(tài)，其測(cè)量數(shù)據(jù)為工況2和工況3的參照值。

3、實(shí)驗(yàn)和分析

表1為工況1在理想狀態(tài)下各測(cè)試點(diǎn)的示值誤差和擴(kuò)展不確定度，從表中可以看出，擴(kuò)展不確定度約為0.5%(k=2)，示值誤差在±1.01%以內(nèi)。

由表2和圖2可看出閘閥開度對(duì)示值的影響，隨著閘閥開度變小，其示值誤差變小，但絕對(duì)值增大，說(shuō)明閘閥開度越小流量計(jì)示值較理想狀態(tài)下往負(fù)方向偏離越大，這是因?yàn)殡S著閘閥開度變小流場(chǎng)中擾流越來(lái)越多，流場(chǎng)越來(lái)越紊亂，對(duì)超聲波流量計(jì)的計(jì)量性能影響也越來(lái)越大。從超聲波流量計(jì)工作原理測(cè)量流速的公式(3)中可知，夾角φ不變，影響流量計(jì)測(cè)量誤差偏負(fù)的主要因素為聲波在介質(zhì)中傳播的距離L和時(shí)間t1、t2。事實(shí)上閘閥的存在使得原來(lái)理想的定常流從一定程度上變成了非定常流，非定常流中產(chǎn)生了脫體漩渦和湍流旋渦，超聲傳播路徑上的大尺度旋渦影響了流量計(jì)的測(cè)量精度，從而導(dǎo)致示值誤差的變化。

由表3和圖3可看出閘閥旋轉(zhuǎn)角度對(duì)示值的影響，將閘閥在豎直安裝方向上偏轉(zhuǎn)5°和10°后，大流量和中流量時(shí)示值誤差較無(wú)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)偏正，而閘閥旋轉(zhuǎn)角度對(duì)小流量影響沒有明顯規(guī)律。

通過(guò)以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，流場(chǎng)變化對(duì)超聲波流量計(jì)的計(jì)量性能影響較大，實(shí)驗(yàn)中流量計(jì)的安裝都滿足了前后直管段要求，但是加入阻流件后，非定常流中產(chǎn)生的旋渦影響超聲的傳播，因此流量計(jì)的示值誤差變化可超過(guò)2%，可能造成檢定結(jié)果與實(shí)際情況的重大偏離。因此在使用超聲波流量計(jì)的過(guò)程中，特別是現(xiàn)場(chǎng)檢定超聲波流量計(jì)時(shí)，一定要注意上游如果存在阻流件，一是要盡量延長(zhǎng)前直管段的長(zhǎng)度，使管線中的流場(chǎng)盡量達(dá)到自穩(wěn)定;二是當(dāng)存在閥門阻流件時(shí)，應(yīng)將其開度調(diào)至*大，降低其對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)，提高超聲波流量計(jì)的測(cè)量

精度。

影響超聲波流量計(jì)的因素還有很多，如安裝角度、安裝距離、電磁環(huán)境等，今后可進(jìn)行更多研究，使超聲波流量計(jì)的使用更加規(guī)范準(zhǔn)確。

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