超声波流量计的特点及误差分析

马彪

摘 要：超声波流量计的应用领域日益扩大，已经成为生活中的重要部分。其安装维护方便快捷，同时还具有较长的生命周期。超声波流量计对于难测介质和大口径管道的流量计量非常的适用，具有较高的方便性和可靠性。造成测量误差的因素包括安装误差、流量范围、管径误差、压力变送器、探头污物等。虽然超声波流量计目前还有不足之处，但是科技的进步赋予了超声波流量计以综合性优势的更为广阔的发展空间。该文主要分析超声波流量计的特点和整个测量过程中产生误差的因素。

关键词：超声波 流量计 误差分析 管径

中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（b）-0062-01

在现代社会工业生产快速发展的推动下，流量测量的应用领域日益扩大，已经成为生活中的重要部分。流量的测量方法有多种，超声波流量计以其具有非接触式测量的特征已经被广泛认可和应用。目前，在国内外对超声波流量计的研究已经取得了很大的进展，通过超声波在流体中的传播速度来测量流体的流速来计算流量，一直得到了研究者们的关注。尤其是计算机的使用，使数据处理更为方便、准确，并且具备了自检功能，这样能够自动修正流场分布变化导致的误差。本文主要分析超声波流量计的特点和整个测量过程中产生误差的因素。

1 超声波流量计的特点

超声波流量计的使用领域日益增多，取代了传统的差压流量计、电磁流量计等，因为其具有突出的特点。

1.1 安装维修方便

超声波流量计与其它流量计相比，在安装的维护过程中，无需在管道上打孔或者将流量切断，安装比较方便。特别是对于一些大口径的计量系统而言，安装的优点就显得更加突出，能够节省很多的人力物力。

1.2 测量管径大

检测件内没有任务阻碍物，没有可动零部件，不会对流体造成堵塞，适用于难测介质及大管径测量，测量管径可高达10 m，远远的超过了传统流量计的管径。此外，超声波流量计管径的大小不会影响到其价格，传统的的流量计会因管径的大小而有所不同。

1.3 测量可靠性高

无论是外夹式安装还是湿工安装，超声波流量计都不会对流场形成影响，无需移动部件，不存在压力损失。此外，传感器以计算机为中心，利用锁相环路或者是计时法，有效的增强了信号的稳定性，排除了噪音干扰和电路故障的影响，具有较高的测量可靠性。

1.4 外界影响因素小

在使用超声波流量计的测量过程中，与其它流量计有所不同，其不会受到流体的物理性能或参数的影响，输出与流量之间是一种优质的线性关系，所以测量的范围比较大。

1.5 自动控制系统

计算机可以对流量计的工作进行自动控制，测量出的结果能够自动显示并将其打印。此外，还具备标准的通用接口，输出标准直流信号，所以能够与计算机监控系统进行联网，实施动态控制。

1.6 超声波流量计的缺点

传感器的安装对计量的准确性造成直接的干扰，所以整个安装过程必须做到严谨；准确性与电磁流量计相比有所不足。

1.7 不同超声波流量计的特点

超声波流量计的测量方法有多种，包括传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等。不同的方法有不同的特点，下面是超声波流量计测量方法特点的比较。

（1）传播速度差法：利用测量超声波脉冲和逆流所传报的时速差别来提供液体的速度。其具有较高的精准度，非常适合比较清洁的流体。

（2）多普勒法：对相比均匀度较差的流体的散射体所散射的超声波多普勒频进行测量，从而反应出流体的流量。多普勒法比较适用于含有悬浮颗粒、气泡等测量相对困难的流体测量。

（3）波束偏移法：通过测量流体中传播方向随流体流速转变的超声波束而出现的偏移，来确定流速。其在流体流速比较弱时不具备灵敏度，因此，适用范围很小。

（4）噪声法：测量液体所产生的噪声和速度。其使用方法比较简单，而且设备的成本较低，不过其不具备较好的准确度。

（5）相关法：通过一些相关的技术进行测量。此方法具有较高的精准度，适用范围比较广泛，不过通常线路较为复杂，且成本较高。

2 超声波流量计的误差分析

2.1 安装误差

超声波流量计传感器的安装误差会对测量结果造成很大程度的影响。两个传感器之间的距离都有明确的规定，安装过程中如果没有按照规定的距离操作，会造成严重影响。流量计经过国家水大流量计量站校准，准确度为1.5级，管径内径为1.2 m、壁厚为10 mm，要求进行测试。整个测量过程中的流量稳定，其余测试条件不变，只将两个传感器的距离进行改变，经过计算，当实际距离比要求短50 mm时，造成的误差为-8.5%；当实际距离比要求长50 mm时，误差为10.6%。

2.2 管径误差

管道内径的误差也会造成测量结果不准确，1%的内径误差所造成的测量误差为2%，约为管径误差的2倍。水管内径为1.2 m，整个测量过程中的流量稳定，其余测试条件不变，当内径的相对误差为-3.3%时，所造成的流量相对误差为-5.5%。

2.3 管道壁厚误差

管道壁厚误差也是导致测量结果不准确的因素之一，不过其只是会影响到夹装探头。当管径为0.8 m，壁厚为10 mm时，整个测量过程中的流量稳定，其余测试条件不变，当壁厚误差计算为20 mm时，流量相对误差为-1.3%；当壁厚计算为30 mm时，流量相对误差为-2.8%。不过壁厚的误差很难达到100%，因此可以忽略不计。

2.4 超声换能器表面污物

超声换能器表面的堆积物会对测量结果造成很大的影响。这些污物会引起装置无法经过流体传送超声波脉冲，从而造成超声波路径“脱落”。

2.5 流量计附件压力变送器

压力变送器主要是检测气体的标况压力，压力测量值直接影响着标况测量计算，属于工况压力，是造成误差的一个重要因素。

3 结语

该文分析了超声波流量计的特点和整个测量过程中产生误差的因素。超声波流量计是流量计量，尤其是对于难测介质和大口径管道的流量计量非常的适用，具有较高的方便性和可靠性。造成测量误差的因素包括安装误差、流量范围、管径误差、压力变送器、探头污物等。管壁厚度的误差所形成的影响不大，可以忽略不计。

参考文献

[1] 陈聪.超声波流量计的特点和应用[J]. 医药工程设计，2010（1）：48-50.

[2] 金松日.一种小管径超声波流量计的设计[D].大连理工大学，2013.endprint