便携式超声波流量计在现场校准中的“妙用”

便携式超声波流量计在现场校准中的“妙用”

陈天荣

    大口径水流量计的计量准确度引起的经济纠纷频频发生，亟须采取切实可行、经济高效、准确度高的校准方案。但是，大口径流量计的现场校准一直是一个很复杂的问题。
    笔者现结合外贴式探头、时差式便携超声波流量计提出如下解决方案，供探讨。
   
一、超声波流量计
    1.工作原理(如图1所示)
   

    图1  超声波流量计工作原理图

    当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，并使其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下列表达式:
   
    式中:θ——声束与液体流动方向的夹角；M——声束在液体中的直线传播次数；D——管道内径；tup——声束在正方向上的传播时间；tdown——声束在逆方向上的传播时间。
    Δt=tup-tdown
    2.优点
    高可靠性；方便装卸；方便检定和校准；可显示瞬时流量；外贴式探头超声波流量计装卸校准时对被测量无任何影响；(与传统车载标准体积管流量校验装置相比)便携；总流量自动累积；用“标尺因子”方便校准；测量范围大；可方便连接计算机，配合软件跟踪校准。
    3.缺点
    跟电磁流量计相比，准确度较低；测量范围大，线性较差。
   
二、函数关系式
    F[Q]=f[D，q，F……]
   
    式中:Q——总流量；T——温度；q——瞬时流量。
    那么，总流量Q与管道内径D的关系式是什么呢？
    根据总流量是单位时间内流过管道内径体积的总和的原理:
   
    将式(1)代入式(2)，得:
   
    式中:t——总累积时间。
    那么:
    当现场校准时，仪表输入内外径参数决定之后，实际内径的误差变化如表1所示。
   

    表1  实际内径的误差变化

    从表1中得知，当管道内径为300mm时，其实际内径误差为±1mm，示值误差达到±1%，等于仪表准确度指标。如果是使用时间较长的老管道，其管内的水垢足以影响到管道内径D值(笔者曾在刚改造安装规范的校准现场见过10mm左右的水垢)。现场校准最大的难题之一是管壁厚度，即管道内径、衬底与管内的水垢的程度。
    那么，总流量Q与瞬时流量q的关系呢？
    一句话，测量的相关物理量多的问题，集中反映在瞬时流量q的变化上。便携式超声波流量计能稳定地反映显示管道内瞬时流量的功能。为此，笔者建议采用点对点、区间对区间、无限逼近的校准解决方案。
    建议建立如图2所示的大口径水流量检定校准系统，该系统应有选择地建设在自来水公司的供水系统内。其理由有5点:可以充分利用供水资源，经济、高效；可随时检定、校准，又不影响自然供水；可根据校准实际要求，任选对应管道内径；可对各种品牌的便携式超声波流量计进行评价；一次投资，长期受益。
   

    图2  大口径水流量检定校准系统框图

    例如:当用户需要为一个管道内径为300mm的大口径水流量计做现场校准时，可以在该检定校准系统内的“标准管道口径选择器”内选择D=300mm的管道，并把校准用的便携式超声波流量计安装在其上，接着调节流量调节器的开关，使瞬时流量在100m3/h、200m3/h、300m3/h……为中心点的区域段内测量校准。
    当日温度为25℃、湿度为75%时，那么则有瞬时流量在100m3/h为中心区域段的K1:
   
    式中:Q真——标准水池在t时间内的累积数；Q示——超声波标准流量计在t时间内的累积数；q——超声波标准流量计人为选择仪表校准时的瞬时流量为中心点的区域段；K1——该区域段的修正系数。
    K0为出厂修正系数，同理,根据多个区域段校准的结果可得到K2、K3、K4……Q真与q的特性曲线，如图3所示。
   

    图3  Q真与q的特性曲线
    注:温度=25℃；湿度=75%；D=300mm

    同理，我们又可以得到该台便携式超声波流量计在D=400mm、D=500mm、D=600mm……的Q真与q的特性曲线。
    以此类推，选择在不同的季节校准，就可以得到它的Q真与温度T的特性曲线。获得了该台便携式超声波流量计的特性曲线后，再抓住被测表的现场安装规范及管道内径D的准确数值，我们对现场校准就有信心了。
    本解决方案设计的优点:
    1.充分利用了超声波流量计的便携、瞬时流量、累积数显示和出厂修正系数的特长。
    2.可以近似地模拟被测对象的管道内径D，瞬时流量q和现场温度T。
    3.可根据被测表自动记录的年月累积数总和，不同瞬时流量占用比例进行准确分段校准。
    4.可逆校准溯源(先现场，后校准)。
    5.既可把便携式超声波流量计当标准仪器，也可以把它当作复现现场量值的媒介，点对点、区间对区间、温度对温度。
    6.提高了校准准确度。
    可以增加Q真与q特性曲线点的选择，从而提高现场校准的准确度。
    作者单位【福建省莆田市计量所】

不知道超声波传感器的结构是什么样子的。声波发射和检测探头是否在同一位置，这会影响到安装距离的确定，从而影响到θ角的数值。

新手个人看法，请专家指正。