便攜式超聲波流量計在現場校準中的“妙用”

便攜式超聲波流量計在現場校準中的“妙用”

陳天榮

    大口徑水流量計的計量準確度引起的經濟糾紛頻頻發生，亟須采取切實可行、經濟高效、準確度高的校準方案。但是，大口徑流量計的現場校準一直是一個很復雜的問題。
    筆者現結合外貼式探頭、時差式便攜超聲波流量計提出如下解決方案，供探討。
   
一、超聲波流量計
    1.工作原理(如圖1所示)
   

    圖1  超聲波流量計工作原理圖

    當超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間產生微小變化，并使其傳播時間的變化正比于液體的流速，其關系符合下列表達式:
   
    式中:θ——聲束與液體流動方向的夾角；M——聲束在液體中的直線傳播次數；D——管道內徑；tup——聲束在正方向上的傳播時間；tdown——聲束在逆方向上的傳播時間。
    Δt=tup-tdown
    2.優點
    高可靠性；方便裝卸；方便檢定和校準；可顯示瞬時流量；外貼式探頭超聲波流量計裝卸校準時對被測量無任何影響；(與傳統車載標準體積管流量校驗裝置相比)便攜；總流量自動累積；用“標尺因子”方便校準；測量范圍大；可方便連接計算機，配合軟件跟蹤校準。
    3.缺點
    跟電磁流量計相比，準確度較低；測量范圍大，線性較差。
   
二、函數關系式
    F[Q]=f[D，q，F……]
   
    式中:Q——總流量；T——溫度；q——瞬時流量。
    那么，總流量Q與管道內徑D的關系式是什么呢？
    根據總流量是單位時間內流過管道內徑體積的總和的原理:
   
    將式(1)代入式(2)，得:
   
    式中:t——總累積時間。
    那么:
    當現場校準時，儀表輸入內外徑參數決定之后，實際內徑的誤差變化如表1所示。
   

    表1  實際內徑的誤差變化

    從表1中得知，當管道內徑為300mm時，其實際內徑誤差為±1mm，示值誤差達到±1%，等于儀表準確度指標。如果是使用時間較長的老管道，其管內的水垢足以影響到管道內徑D值(筆者曾在剛改造安裝規范的校準現場見過10mm左右的水垢)。現場校準最大的難題之一是管壁厚度，即管道內徑、襯底與管內的水垢的程度。
    那么，總流量Q與瞬時流量q的關系呢？
    一句話，測量的相關物理量多的問題，集中反映在瞬時流量q的變化上。便攜式超聲波流量計能穩定地反映顯示管道內瞬時流量的功能。為此，筆者建議采用點對點、區間對區間、無限逼近的校準解決方案。
    建議建立如圖2所示的大口徑水流量檢定校準系統，該系統應有選擇地建設在自來水公司的供水系統內。其理由有5點:可以充分利用供水資源，經濟、高效；可隨時檢定、校準，又不影響自然供水；可根據校準實際要求，任選對應管道內徑；可對各種品牌的便攜式超聲波流量計進行評價；一次投資，長期受益。
   

    圖2  大口徑水流量檢定校準系統框圖

    例如:當用戶需要為一個管道內徑為300mm的大口徑水流量計做現場校準時，可以在該檢定校準系統內的“標準管道口徑選擇器”內選擇D=300mm的管道，并把校準用的便攜式超聲波流量計安裝在其上，接著調節流量調節器的開關，使瞬時流量在100m3/h、200m3/h、300m3/h……為中心點的區域段內測量校準。
    當日溫度為25℃、濕度為75%時，那么則有瞬時流量在100m3/h為中心區域段的K1:
   
    式中:Q真——標準水池在t時間內的累積數；Q示——超聲波標準流量計在t時間內的累積數；q——超聲波標準流量計人為選擇儀表校準時的瞬時流量為中心點的區域段；K1——該區域段的修正系數。
    K0為出廠修正系數，同理,根據多個區域段校準的結果可得到K2、K3、K4……Q真與q的特性曲線，如圖3所示。
   

    圖3  Q真與q的特性曲線
    注:溫度=25℃；濕度=75%；D=300mm

    同理，我們又可以得到該臺便攜式超聲波流量計在D=400mm、D=500mm、D=600mm……的Q真與q的特性曲線。
    以此類推，選擇在不同的季節校準，就可以得到它的Q真與溫度T的特性曲線。獲得了該臺便攜式超聲波流量計的特性曲線后，再抓住被測表的現場安裝規范及管道內徑D的準確數值，我們對現場校準就有信心了。
    本解決方案設計的優點:
    1.充分利用了超聲波流量計的便攜、瞬時流量、累積數顯示和出廠修正系數的特長。
    2.可以近似地模擬被測對象的管道內徑D，瞬時流量q和現場溫度T。
    3.可根據被測表自動記錄的年月累積數總和，不同瞬時流量占用比例進行準確分段校準。
    4.可逆校準溯源(先現場，后校準)。
    5.既可把便攜式超聲波流量計當標準儀器，也可以把它當作復現現場量值的媒介，點對點、區間對區間、溫度對溫度。
    6.提高了校準準確度。
    可以增加Q真與q特性曲線點的選擇，從而提高現場校準的準確度。
    作者單位【福建省莆田市計量所】

不知道超聲波傳感器的結構是什么樣子的。聲波發射和檢測探頭是否在同一位置，這會影響到安裝距離的確定，從而影響到θ角的數值。

新手個人看法，請專家指正。