1 概述

1. 1 超聲波流量計(jì)原理

封閉管道用超聲波流量計(jì)按測(cè)量原理分類(lèi)有:傳播時(shí)間法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法、噪聲法［1］。傳播時(shí)間法又包括時(shí)差法、相差法和頻差法，時(shí)差法測(cè)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(shí)因流體流動(dòng)方向不同而傳播速度不同的特點(diǎn)，測(cè)量它的順流傳播時(shí)間 t1 和逆流傳播時(shí)間 t2 的差值，從而計(jì)算流體流動(dòng)的速度和流量［2］。

1. 2 超聲波流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)

時(shí)差法超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有: ( 1) 適用于各種管徑流量的測(cè)量，流速和管徑越大，準(zhǔn)確度越高;( 2) 測(cè) 量 范 圍 ( 量 程 比) 寬，一 般 為 1 ∶ 50;( 3) 無(wú)壓力損失，可大大降低長(zhǎng)輸管道增壓的費(fèi)用; ( 4) 無(wú)可動(dòng)部件，可雙向測(cè)量［3］。但時(shí)差法超聲波流量計(jì)也存在一些不足，如參數(shù)設(shè)置比較多，包括: 管道口徑、壁厚、襯里、材質(zhì)、測(cè)量介質(zhì)、介質(zhì)溫度、安裝方式、安裝位置等，其中任意一項(xiàng)參數(shù)設(shè)置有偏差都可能對(duì)超聲波流量計(jì)的流量系數(shù)產(chǎn)生影響。本文主要對(duì)管道口徑、材質(zhì)以及安裝方式進(jìn)行分析，分析其對(duì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)流量系數(shù)的影響關(guān)系。

 

1. 3 超聲波流量計(jì)流量系數(shù)定義

超聲波流量計(jì)在實(shí)際使用過(guò)程中，都會(huì)用到流量系數(shù) F，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)流量為 qs，超聲波流量計(jì)顯示流量為 qr，則流量系數(shù)

 

2 流量系數(shù)影響因素分析

2. 1 標(biāo)準(zhǔn)裝置及超聲波流量計(jì)選擇

標(biāo)準(zhǔn)裝置采用本單位的兩套流量標(biāo)準(zhǔn)裝置:靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 ( 口徑 15 ～ 400 mm，材質(zhì)碳鋼，擴(kuò)展不確定度 Urel = 0. 05% ，k = 2) 和標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 ( 口徑 15 ～ 800 mm，材質(zhì)不銹鋼，擴(kuò)展不確定度 Urel = 0. 12% ，k = 2) 。超聲 波 流 量 計(jì) 選 用 FLEXIM 品 牌，型 號(hào) 為FLUXUS，傳感器型號(hào)為 CDM1NZ7，適用管徑為50 ～ 3 400 mm。

 

2. 2 流量系數(shù)確定方法

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

 

( 2) 啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置，檢查密封性，保證不泄露后將流量調(diào)到所需流量點(diǎn)，獲取標(biāo)準(zhǔn)裝置流量qs 以及超聲波流量計(jì)示值流量 qr。

( 3) 依據(jù) JJG 1030—2010 《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》中的流量點(diǎn) qmin、qt、0. 4qmax和 qmax共 4 個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)［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(diǎn)分別為: 0. 25、0. 3、2. 8、7 m /s。

( 4) 每個(gè)流量點(diǎn)檢測(cè) 3 次，得到該流量點(diǎn)的平均流量系數(shù)，然后對(duì) 4 個(gè)流量點(diǎn)的流量系數(shù)進(jìn)行求平均，非常終得到流量系數(shù) F。

 

2. 3 口徑及材質(zhì)對(duì)流量系數(shù)的影響

本文選用口徑分別為 DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN300、DN400，材 質(zhì) 分 別 為 碳鋼和不銹鋼的管道進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)得到流量系數(shù)數(shù)據(jù)如圖 2 所示。

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

 

2. 4 安裝方式對(duì)流量系數(shù)的影響

傳感器安裝可分為 Z 法和 V 法。Z 法安裝測(cè)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(qiáng)吸聲流體宜采用 Z 法安裝［5］。

本文選用材質(zhì)為不銹鋼，對(duì) DN200、 DN300、DN400 三個(gè)大管徑的安裝方法進(jìn)行分析。

由于本文采用的是 FLEXIM 超聲波流量計(jì)，在進(jìn)行流量檢測(cè)時(shí)可以通過(guò)觀察信號(hào)格數(shù)來(lái)反映信號(hào)的強(qiáng)弱，材質(zhì)為不銹鋼的不同管徑信號(hào)格數(shù)如圖 4 所示，其流量系數(shù)如圖 5 所示。

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

 

2. 5 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)口徑、材質(zhì)以及安裝方式進(jìn)行分析，分析其對(duì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)流量系數(shù)的影響，得到的結(jié)論如下:

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

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

( 3) 對(duì)于不同材質(zhì)、不同口徑的管道，流量系數(shù)沒(méi)有一定的規(guī)律，但流量系數(shù)相差不大，當(dāng)現(xiàn)誤差要求不是很高 ( 相對(duì)誤差 5% 左右) 的時(shí)候，沒(méi)有得到流量系數(shù)的管道可采用臨近管道的流量系數(shù)代替。

( 4) 對(duì)大于 DN200 的管道，優(yōu)先選用 Z 法安裝方式，其信號(hào)優(yōu)于 V 法安裝，但由于兩種安裝方式流量系數(shù)相差不大，為了安裝方便可采用 V法，如果沒(méi)有信號(hào)，再選用 Z 法。

 

3 結(jié)束語(yǔ)

時(shí)差法超聲波流量計(jì)常用于現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的校準(zhǔn)，利用本單位兩套標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)超聲波流量計(jì)流量系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，找出流量系數(shù)的變動(dòng)規(guī)律，有利于改善現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)其他流量計(jì)的準(zhǔn)確度。

 

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