1 概述

1. 1 超聲波流量計原理

封閉管道用超聲波流量計按測量原理分類有:傳播時間法、多普勒效應法、波束偏移法、相關法、噪聲法［1］。傳播時間法又包括時差法、相差法和頻差法，時差法測量流體流量的原理如圖 1所示。它利用聲波在流體中傳播時因流體流動方向不同而傳播速度不同的特點，測量它的順流傳播時間 t1 和逆流傳播時間 t2 的差值，從而計算流體流動的速度和流量［2］。

1. 2 超聲波流量計優缺點

時差法超聲波流量計的優點有: ( 1) 適用于各種管徑流量的測量，流速和管徑越大，準確度越高;( 2) 測 量 范 圍 ( 量 程 比) 寬，一 般 為 1 ∶ 50;( 3) 無壓力損失，可大大降低長輸管道增壓的費用; ( 4) 無可動部件，可雙向測量［3］。但時差法超聲波流量計也存在一些不足，如參數設置比較多，包括: 管道口徑、壁厚、襯里、材質、測量介質、介質溫度、安裝方式、安裝位置等，其中任意一項參數設置有偏差都可能對超聲波流量計的流量系數產生影響。本文主要對管道口徑、材質以及安裝方式進行分析，分析其對時差法超聲波流量計流量系數的影響關系。

 

1. 3 超聲波流量計流量系數定義

超聲波流量計在實際使用過程中，都會用到流量系數 F，設標準流量為 qs，超聲波流量計顯示流量為 qr，則流量系數

 

2 流量系數影響因素分析

2. 1 標準裝置及超聲波流量計選擇

標準裝置采用本單位的兩套流量標準裝置:靜態質量法水流量標準裝置 ( 口徑 15 ～ 400 mm，材質碳鋼，擴展不確定度 Urel = 0. 05% ，k = 2) 和標準表法水流量標準裝置 ( 口徑 15 ～ 800 mm，材質不銹鋼，擴展不確定度 Urel = 0. 12% ，k = 2) 。超聲 波 流 量 計 選 用 FLEXIM 品 牌，型 號 為FLUXUS，傳感器型號為 CDM1NZ7，適用管徑為50 ～ 3 400 mm。

 

2. 2 流量系數確定方法

( 1) 依次設置好超聲波流量計參數 ( 管道外徑、壁厚、襯 里、材 質、介 質 溫 度、安 裝 方 式等) ，超聲波流量計計算得到安裝距離，將傳感器安裝到管道上。

 

( 2) 啟動標準裝置，檢查密封性，保證不泄露后將流量調到所需流量點，獲取標準裝置流量qs 以及超聲波流量計示值流量 qr。

( 3) 依據 JJG 1030—2010 《超聲流量計檢定規程》中的流量點 qmin、qt、0. 4qmax和 qmax共 4 個流量點進行檢測［4］。qmin 流速定為 0. 25 m /s，qmax流速定為 7 m /s，則選用的流量點分別為: 0. 25、0. 3、2. 8、7 m /s。

( 4) 每個流量點檢測 3 次，得到該流量點的平均流量系數，然后對 4 個流量點的流量系數進行求平均，非常終得到流量系數 F。

 

2. 3 口徑及材質對流量系數的影響

本文選用口徑分別為 DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN300、DN400，材 質 分 別 為 碳鋼和不銹鋼的管道進行檢測。檢測得到流量系數數據如圖 2 所示。

從圖 2 可以看出，同一材質，不同管徑流量系數有一定的差別，非常大相對誤差為 7. 1% ; 同樣，不同材質，同一管徑流量系數也有一定差別，非常大相 對 誤 差 為 4. 4% 。對 于 小 管 徑 ( DN50 ～DN150) ，不同材質，不同管徑流量系數差別較大;但對于大管徑 ( DN200 ～ DN400) ，同一材質，不同管徑流量系數較為 接 近，非常大相對誤差為1. 7% ，不同材質，同一管徑流量系數同樣較為接近，非常大相對誤差為 1. 5% 。

 

2. 4 安裝方式對流量系數的影響

傳感器安裝可分為 Z 法和 V 法。Z 法安裝測量流體流量原理如圖 1 所示，V 法安裝如圖 3 所示。大直徑管及強吸聲流體宜采用 Z 法安裝［5］。

本文選用材質為不銹鋼，對 DN200、 DN300、DN400 三個大管徑的安裝方法進行分析。

由于本文采用的是 FLEXIM 超聲波流量計，在進行流量檢測時可以通過觀察信號格數來反映信號的強弱，材質為不銹鋼的不同管徑信號格數如圖 4 所示，其流量系數如圖 5 所示。

從圖 4 和圖 5 可以看出，對于大口徑管道 ( 口徑大于 DN200) Z 法安裝的信號都優于 V 法安裝，且兩種不同安裝方式的流量系數差別不大，故對于大口徑管道可優先選用 Z 法安裝超聲波流量計，但由于兩種安裝方式流量系數相差不大，為了安裝方便可采用 V 法，如果沒有信號，再選用 Z 法。

 

2. 5 總結

本文通過對口徑、材質以及安裝方式進行分析，分析其對時差法超聲波流量計流量系數的影響，得到的結論如下:

( 1) 對于同一材質的管道，不同口徑，超聲波流量計流量系數有一定的差別，對于大于 DN200 的口徑流量系數較為接近，非常大相差 0. 018。

( 2) 對于同一口徑的管道，不同材質，超聲波流量計流量系數有一定的差別，對于大于 DN200 的口徑流量系數較為接近，非常大相差 0. 015。

( 3) 對于不同材質、不同口徑的管道，流量系數沒有一定的規律，但流量系數相差不大，當現誤差要求不是很高 ( 相對誤差 5% 左右) 的時候，沒有得到流量系數的管道可采用臨近管道的流量系數代替。

( 4) 對大于 DN200 的管道，優先選用 Z 法安裝方式，其信號優于 V 法安裝，但由于兩種安裝方式流量系數相差不大，為了安裝方便可采用 V法，如果沒有信號，再選用 Z 法。

 

3 結束語

時差法超聲波流量計常用于現場流量計的校準，利用本單位兩套標準裝置對超聲波流量計流量系數進行檢測，找出流量系數的變動規律，有利于改善現場校準其他流量計的準確度。

 

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