流场变化对超声波流量计的影响

根据测量原理不同，流量计可分多种类别，应用较广泛的有:电磁流量计、超声波流量计、质量流量计、容积式流量计等。其中，超声波流量计采用先进的多脉冲技术、数字信号处理技术和纠错技术，使流量计更适合工业现场环境。仪器的流路没有障碍，因此它是一种无阻碍流量计，适用于解决流量测量的难题，特别是大口径管道流量测量。因其安装方便、通用性好，计量更准确，被广泛应用于一般性工业生产和重点能源建设等领域。湖南省计量检测研究院张遥奇等研究了液体流场变化对超声流量计测量精度的影响,并给出具体的使用建议。

1、超声波流量计工作原理及其特点

超声波流量计中的传感器称为换能器，变送器称为流量显示累积系统，二者是超声波流量计测量系统的主要组成部分。使用铸铁酸铅压电元件作为传感器实现声波发射和接收，因流体影响声波的传输，从而计算出介质流速。

根据传感器的安装方式不同，接触式和外夹式为超声波流量计两种主要的安装形式，常用的是外夹式超声波流量计。

超声波流量计的工作原理如图1所示，其传感器一般成对使用，共同组成一套发射和接收通道。超声波*先由发射换能器发出，穿过介质和管壁，经对面管壁反射后再次穿过介质和管壁，被接收换能器接收，利用声波在顺流和逆流中传播的时间差计算出被测液体的流速。

下游探头B接收上游探头A发射的超声波信号的时间为t1，上游探头A接收的下游探头B发射的超声波信号的时间记为t2。液体介质在管道内流动时，顺流则超声波信号传输速度加快，逆流超声波信号传输速度减慢。两个探头间的距离为L，液体流速为V，超声波和流体在管道中的流动夹角为φ、传播速度为c，则有

超声波流量计具有以下优点:

1)抗干扰能力强。超声波流量独特的信号数字化处理技术，与声音在介质中的传播速度、被测流体的性质(如温度、压力等)无关，测量信号更稳定，抗干扰能力强。

2)可进行双向测量。测量流量时，声波在介质中的传播时间与超声波流量计示值呈现一定的函数关系，对于正反方向的流动都适用，因此可对介质流量进行双向测量。

3)计量更准确。使用超声波流量计进行测量时，可不破坏已建成管道，因此在流体中因安装测量元件产生的附加阻力从而改变流体的流动状态的现象不再出现，大大提高了测量的精度。

2、流场变化影响实验设计

根据超声波流量计工作原理，当管线内液体流场不稳定时，将会导致管线内介质流速出现较大变化或者同一截面内流速不均匀的情况，声波在介质中的传播时间就会受到影响，从而有可能导致测量的流速偏差较大。

为验证流场对超声流量计的影响，在水流量标准装置DN200管线上进行实验，测试方法为标准表法。流场中的阻流件用一个同口径闸阀代替，通过调节其开度大小形成强度不一的流场扰动。实验对象为单声道超声波流量计，安装方式为V法水平安装。选择340m3/h、113m3/h和34m3/h三个流量点，每个流量点测量3次，每次测试时间为180s。实验中前后直管段均满足安装要求，设置以下三种工况条件，测试闸阀开度比例和旋转角度对流量示值的影响:

工况1:未安装闸阀，测量超声波流量计的示值误差;

工况2:安装闸阀，测量闸阀分别处于全开、开75%、开50%三种开度时超声波流量计的示值误差;

工况3:闸阀50%开度不变，测量闸阀旋转5°和10°超声波流量计的示值误差。

工况1为超声波流量计的理想工作状态，其测量数据为工况2和工况3的参照值。

3、实验和分析

表1为工况1在理想状态下各测试点的示值误差和扩展不确定度，从表中可以看出，扩展不确定度约为0.5%(k=2)，示值误差在±1.01%以内。

由表2和图2可看出闸阀开度对示值的影响，随着闸阀开度变小，其示值误差变小，但绝对值增大，说明闸阀开度越小流量计示值较理想状态下往负方向偏离越大，这是因为随着闸阀开度变小流场中扰流越来越多，流场越来越紊乱，对超声波流量计的计量性能影响也越来越大。从超声波流量计工作原理测量流速的公式(3)中可知，夹角φ不变，影响流量计测量误差偏负的主要因素为声波在介质中传播的距离L和时间t1、t2。事实上闸阀的存在使得原来理想的定常流从一定程度上变成了非定常流，非定常流中产生了脱体漩涡和湍流旋涡，超声传播路径上的大尺度旋涡影响了流量计的测量精度，从而导致示值误差的变化。

由表3和图3可看出闸阀旋转角度对示值的影响，将闸阀在竖直安装方向上偏转5°和10°后，大流量和中流量时示值误差较无旋转状态偏正，而闸阀旋转角度对小流量影响没有明显规律。

通过以上对比实验可以看出，流场变化对超声波流量计的计量性能影响较大，实验中流量计的安装都满足了前后直管段要求，但是加入阻流件后，非定常流中产生的旋涡影响超声的传播，因此流量计的示值误差变化可超过2%，可能造成检定结果与实际情况的重大偏离。因此在使用超声波流量计的过程中，特别是现场检定超声波流量计时，一定要注意上游如果存在阻流件，一是要尽量延长前直管段的长度，使管线中的流场尽量达到自稳定;二是当存在阀门阻流件时，应将其开度调至*大，降低其对流场的扰动，提高超声波流量计的测量

精度。

影响超声波流量计的因素还有很多，如安装角度、安装距离、电磁环境等，今后可进行更多研究，使超声波流量计的使用更加规范准确。

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