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          超聲波流量計的工作原理與校準

          發布時間:2023-07-21 10:51:35??點擊次數:57次

          超聲波流量計,是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表,具有非接觸、測量范圍寬、攜帶安裝方便、對管徑的適應性強、使用方便、易于數字化等特點,被廣泛應用于氣體和流體的流速、流量的現場檢測,本文主要介紹目前最為常用的超聲波流量計的設計原理,并對其測量誤差的測量不確定度進行分析評定,以及提高現場測量精度的方法。


          一、超聲波流量計的測量原理

          超聲波流量計其工作原理如圖1所示。2個超聲超聲波探頭,順流換能器A用于發射超聲波脈沖信號和逆流換能器B用于接受超聲波脈沖信號,其安裝方式為外夾Z法,2只換能器分別安裝在流體管線的兩側并相距一定距離,管線的內直徑為d,超聲波順流速度為V,超聲波的傳播方向與流體的流動方向加角為θ。

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          二、測量不確定度分析

          由公式(3)流體流量,由管道內直徑d、被測流體中的理論聲速C、聲波折射角正切tanθ、流體順逆流流過換能器AB時間差Δt、等4部分組成,其測量不確定度分析如下。


          1、管道內直徑d測量重復性引入不確定度urel(d)的評定

          根據國家標準,管道公稱直徑D和管道厚度s只是近似的一個名義尺寸,每次必須測量管道外徑D和管道厚度s,因此,此項不確定度有2項分量,即被測對象測量重復性引入和現場使用的計量器具的測量不確定度引入,據我院現場實際測量經驗,管道內直徑d測量不確定度一般為Urel(d)=0.5%(k=2);所以,管道內直徑d測量引入的標準不確定度:

          urel(d)=Urel(d)/k=0.5%/2=0.25%


          2、測流體聲速C引入不確定度urel(C)的評定

          通過技術資料,此項不確定度按B類評定,被測流體中的聲速測量不確定度,通過技術資料為

          Urel(C)=0.6%(k=2),可直接引用:

          urel(C)=Urel(C)/k=0.6%/2=0.3%


          3、換能器A和B之間的距離l測量重復性引入

          不確定度urel(l)的評定順流換能器A和逆流換能器B之間的距離l的測量不確定度有2項分量,即被測對象測量重復性引入和現場使用的計量器具的測量不確定度引入,據我院現場實際測量經驗,換能器A和B之間的距離l測量重復性引入的標準不確定度一般為

          Urel(l)=0.6%(k=2):

          urel(l)=s/k=0.5%/2=0.25%


          4、流體順逆流流過換能器AB時間差Δt測引入

          不確定度u(Δt)的評定超聲波流量計流體順逆流流過換能器AB時間差Δt的測量,他由順流換能器A發射脈沖到B時間為t1,逆流從B發射脈沖到A的時間為t2,在相減得到(見圖1)。由公式(1)得,它的不確定度分量主要還是由由順流換能器A和逆流換能器B之間的距離l、管道內直徑d、被測流體中的聲速C決定,時間、頻率的測量準確度在所有測量專業中是最高,由超聲波流量計脈沖計時測量產生的誤差可忽略,距離l、管道內直徑d、被測流體中的聲速C,以記入其他不確定度分量,因此流體順逆流流過換能器AB時間差Δt測引入不確定度u(Δt)可忽略不計。


          三、超聲波流量計提高現場測量精度的方法

          在現場測量中,首先是進行綜合分析各種因素,這些因素對最終的測量結果都有著一定的影響,具體如下。


          1、聲速C不確定度的影響以及提高現場測量精度的經驗方法

          在現場測量開始前,應要求被測方提供被測管道中的的工作介質,如果介質是氣體,應提供具體氣體成分、工作溫度、工作壓力等、超聲波聲速的可通過以上資料查相應國家標準可得到,此。時測超聲波流量計工作介質聲速C的影響對測量結果影響較少。如果介質是液體,應提供具體液體名稱、工作壓力、工作溫度、工作壓力、液體中是否有懸浮顆粒等參數;此時聲速的設置要考慮到溫度的影響。水溶液的聲速大于水的聲速,并且大部分流體溫度越高聲速越快,當流體中顆粒較多(但在測量要求范圍內)時有以下兩種情況應對方法:①均勻分布的顆粒,這種情況信號較穩定,通過測量很難發現,需要被測方提供顆粒出現的原因及顆粒種類,已知顆粒種類情況下可適當調整流體的聲速,比對信號質量得出更準確的測量結果。②不均勻顆粒,信號強度的跳動會比較嚴重,此時最好的方法就是長時間測量,在信號質量較好的幾個時間點上讀數取平均值。


          2、換能器A和B之間的距離l和管道內直徑d

          測量重復性的影響以及提高現場測量精度的方法在測量管路的選擇上,應選擇遠離泵站閥門且管道平直,工作介質流速穩定的地方;如果管路中的介質是液體,還要選擇一般不容易出現下部會沉積,上部容易留有空氣的管段。在測量開始時應先垂直安裝探頭測量,然后再水平安裝探頭測量,如果在其他參數不變的情況下,2次測量的差值在超聲波流量計最大允許誤差的情況下,再在詳細設置參數進行下一步測量,否則因重新選擇管道進行測量(因為兩次測量的差值超過超聲波流量計允許誤差的情況下,說明管段未充滿工作介質)。

          在詳細設置參數進行下一步測量時,此時對測量準確性的影響主要來自換能器A和B之間的距離l和管道內直徑d測量;距離l的測量一般根據l的距離選擇鋼直尺,或游標卡尺即可,管道內直徑d測量,當管道外直徑較小時直接用游標卡尺測量即可。當管道外直徑較大時,最好選用精密鋼直尺測量周長再計算直徑;當測量內部沉積、污垢比較嚴重的管路時,可以適當的將管壁參數s調大,將管壁的聲速適當調小。當測量內部腐蝕比較嚴重的管路,可以適當的將管壁參數s調小,但管壁的聲速不變。


          從時差法法超聲波流量計原理出發,對超聲波流量計誤差的測量不確定度進行了分析評定,根據我院從事超聲波流量計的現場使用的多年檢測經驗積累,提出了幾點提高超聲波流量計現場測量精度的經驗并進行了說明,希望能對從事超聲波流量使用的同仁們有所啟迪和幫助。

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