便攜式超聲波流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)中的“妙用”

便攜式超聲波流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)中的“妙用”

陳天榮

    大口徑水流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度引起的經(jīng)濟(jì)糾紛頻頻發(fā)生，亟須采取切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)高效、準(zhǔn)確度高的校準(zhǔn)方案。但是，大口徑流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)一直是一個(gè)很復(fù)雜的問題。
    筆者現(xiàn)結(jié)合外貼式探頭、時(shí)差式便攜超聲波流量計(jì)提出如下解決方案，供探討。
   
一、超聲波流量計(jì)
    1.工作原理(如圖1所示)
   

    圖1  超聲波流量計(jì)工作原理圖

    當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí)，液體的流動(dòng)將使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化，并使其傳播時(shí)間的變化正比于液體的流速，其關(guān)系符合下列表達(dá)式:
   
    式中:θ——聲束與液體流動(dòng)方向的夾角；M——聲束在液體中的直線傳播次數(shù)；D——管道內(nèi)徑；tup——聲束在正方向上的傳播時(shí)間；tdown——聲束在逆方向上的傳播時(shí)間。
    Δt=tup-tdown
    2.優(yōu)點(diǎn)
    高可靠性；方便裝卸；方便檢定和校準(zhǔn)；可顯示瞬時(shí)流量；外貼式探頭超聲波流量計(jì)裝卸校準(zhǔn)時(shí)對(duì)被測(cè)量無任何影響；(與傳統(tǒng)車載標(biāo)準(zhǔn)體積管流量校驗(yàn)裝置相比)便攜；總流量自動(dòng)累積；用“標(biāo)尺因子”方便校準(zhǔn)；測(cè)量范圍大；可方便連接計(jì)算機(jī)，配合軟件跟蹤校準(zhǔn)。
    3.缺點(diǎn)
    跟電磁流量計(jì)相比，準(zhǔn)確度較低；測(cè)量范圍大，線性較差。
   
二、函數(shù)關(guān)系式
    F[Q]=f[D，q，F……]
   
    式中:Q——總流量；T——溫度；q——瞬時(shí)流量。
    那么，總流量Q與管道內(nèi)徑D的關(guān)系式是什么呢？
    根據(jù)總流量是單位時(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)徑體積的總和的原理:
   
    將式(1)代入式(2)，得:
   
    式中:t——總累積時(shí)間。
    那么:
    當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，儀表輸入內(nèi)外徑參數(shù)決定之后，實(shí)際內(nèi)徑的誤差變化如表1所示。
   

    表1  實(shí)際內(nèi)徑的誤差變化

    從表1中得知，當(dāng)管道內(nèi)徑為300mm時(shí)，其實(shí)際內(nèi)徑誤差為±1mm，示值誤差達(dá)到±1%，等于儀表準(zhǔn)確度指標(biāo)。如果是使用時(shí)間較長(zhǎng)的老管道，其管內(nèi)的水垢足以影響到管道內(nèi)徑D值(筆者曾在剛改造安裝規(guī)范的校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)見過10mm左右的水垢)。現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)最大的難題之一是管壁厚度，即管道內(nèi)徑、襯底與管內(nèi)的水垢的程度。
    那么，總流量Q與瞬時(shí)流量q的關(guān)系呢？
    一句話，測(cè)量的相關(guān)物理量多的問題，集中反映在瞬時(shí)流量q的變化上。便攜式超聲波流量計(jì)能穩(wěn)定地反映顯示管道內(nèi)瞬時(shí)流量的功能。為此，筆者建議采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、區(qū)間對(duì)區(qū)間、無限逼近的校準(zhǔn)解決方案。
    建議建立如圖2所示的大口徑水流量檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)有選擇地建設(shè)在自來水公司的供水系統(tǒng)內(nèi)。其理由有5點(diǎn):可以充分利用供水資源，經(jīng)濟(jì)、高效；可隨時(shí)檢定、校準(zhǔn)，又不影響自然供水；可根據(jù)校準(zhǔn)實(shí)際要求，任選對(duì)應(yīng)管道內(nèi)徑；可對(duì)各種品牌的便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)；一次投資，長(zhǎng)期受益。
   

    圖2  大口徑水流量檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

    例如:當(dāng)用戶需要為一個(gè)管道內(nèi)徑為300mm的大口徑水流量計(jì)做現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，可以在該檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)內(nèi)的“標(biāo)準(zhǔn)管道口徑選擇器”內(nèi)選擇D=300mm的管道，并把校準(zhǔn)用的便攜式超聲波流量計(jì)安裝在其上，接著調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)器的開關(guān)，使瞬時(shí)流量在100m3/h、200m3/h、300m3/h……為中心點(diǎn)的區(qū)域段內(nèi)測(cè)量校準(zhǔn)。
    當(dāng)日溫度為25℃、濕度為75%時(shí)，那么則有瞬時(shí)流量在100m3/h為中心區(qū)域段的K1:
   
    式中:Q真——標(biāo)準(zhǔn)水池在t時(shí)間內(nèi)的累積數(shù)；Q示——超聲波標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在t時(shí)間內(nèi)的累積數(shù)；q——超聲波標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)人為選擇儀表校準(zhǔn)時(shí)的瞬時(shí)流量為中心點(diǎn)的區(qū)域段；K1——該區(qū)域段的修正系數(shù)。
    K0為出廠修正系數(shù)，同理,根據(jù)多個(gè)區(qū)域段校準(zhǔn)的結(jié)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(tái)便攜式超聲波流量計(jì)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(jié)校準(zhǔn)，就可以得到它的Q真與溫度T的特性曲線。獲得了該臺(tái)便攜式超聲波流量計(jì)的特性曲線后，再抓住被測(cè)表的現(xiàn)場(chǎng)安裝規(guī)范及管道內(nèi)徑D的準(zhǔn)確數(shù)值，我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)就有信心了。
    本解決方案設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn):
    1.充分利用了超聲波流量計(jì)的便攜、瞬時(shí)流量、累積數(shù)顯示和出廠修正系數(shù)的特長(zhǎng)。
    2.可以近似地模擬被測(cè)對(duì)象的管道內(nèi)徑D，瞬時(shí)流量q和現(xiàn)場(chǎng)溫度T。
    3.可根據(jù)被測(cè)表自動(dòng)記錄的年月累積數(shù)總和，不同瞬時(shí)流量占用比例進(jìn)行準(zhǔn)確分段校準(zhǔn)。
    4.可逆校準(zhǔn)溯源(先現(xiàn)場(chǎng)，后校準(zhǔn))。
    5.既可把便攜式超聲波流量計(jì)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)儀器，也可以把它當(dāng)作復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)量值的媒介，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、區(qū)間對(duì)區(qū)間、溫度對(duì)溫度。
    6.提高了校準(zhǔn)準(zhǔn)確度。
    可以增加Q真與q特性曲線點(diǎn)的選擇，從而提高現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。
    作者單位【福建省莆田市計(jì)量所】

不知道超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)是什么樣子的。聲波發(fā)射和檢測(cè)探頭是否在同一位置，這會(huì)影響到安裝距離的確定，從而影響到θ角的數(shù)值。

新手個(gè)人看法，請(qǐng)專家指正。