超声流量计在液体流量仪表在线校准中的应用

陈现

摘 要：为了保证液体流量仪表工作的准确性，我们通常需要定期校准仪表。在线校准是当前运用比较广泛的一种校准方法，而将超声流量计应用于液体流量计在线校准中能显著提高校准结果的精确度。

关键词：超声流量计；液体流量仪表；在线校准；传感器

中图分类号：TH814.92 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.120

液体流量仪表具有多种多样的用途，其在节约企业成本、降低生产能耗等方面发挥着重要作用。由于一些液体流量仪表的体积大、结构复杂，拆卸工作往往比较复杂，而在线校准可以避免拆卸仪表系统这一环节。因此，目前大多数企业在校准液体流量仪表时都采用这种方法，同时还将超声流量计运用到校准过程中，大大提高了校准工作的效率和准确性。

1 超声流量计的工作原理

从当前来看，在液体流量计校准中，传统的离线校准方法已不能满足检测行业发展的需求，在线校准方法应运而生。在线校准在校准结果的准确性方面具有明显的优势。在液体流量计在线校准过程中，通常会用到超声流量计，其主要工作原理是通过检测不同流速的液体所产生的超声波信号，确定其流量值。将超声波流量计运用到流量仪表在线校准中可采取多种多样的方法，常用的在线校准方法主要有多普勒法、传播速度差法等。超声波流量计在液体流量仪表在线校准中主要采用的是传播速度差法。该方法利用测量超声波逆流和脉冲所传播的时速差别来确定液体的流速，由于超声波信号传递所受的干扰较小，因此这种方法具有较高的准确度。通常来讲，在介质静止的状态下，声波在液体中的实际传播速度由流体轴向平均速度在声波传递方向上的分量和声波的传播速度组成。在液体流量仪表在线校准的过程中，应考虑到逆流传播时间与顺流传播时间之间的关系，并灵活运用液体流速的计算公式。

超声波在静止液态中的传播速度与其在动态液体中的传播速度有相当大的不同，超声波本身的传播速度与液态流体的流动速度有很大关系，而超声波流量计就是利用这个原理来工作

的，如图1所示。流体轴向平均流速可表示为：

式（1）中：Vm为流体轴向平均流速； 为声道角，L为声道长度；tdown为流体顺流中超声波传播时间；tup为流体逆流中超声波的传播时间。

2 影响超声波测量结果的因素

在利用超声流量计在线校准液体流量仪表时，应考虑到超声波测量结果的影响因素。影响超声波测量结果的因素有很多，主要有以下三个方面。

2.1 耦合剂

在利用超声流量计在线校准液体流量仪表时，通常需要在换能器表面涂抹一层耦合剂。涂抹耦合剂是为了方便测量，但如果耦合剂的涂抹不符合要求，就会对测量结果的准确度造成影响。有些测量人员测出的数据偏大，这在很大程度上就是由于涂抹的耦合剂太厚造成的。

2.2 声速

声速是影响超声测量结果的重要因素之一。声速的差异使得超声波在测量过程中的往返时间不同，这就会导致测厚结果的差异。声速的不同主要是由周围温度差异、材质不均匀、应力不同等造成的。

2.3 测厚探头与镜片表面不垂直

在利用超声流量计在线校准液体流量仪表时，要注意测厚探头的设置。按照操作的规范要求，测厚探头应尽量与镜片表面保持垂直，然而，一些测量人员由于缺乏液体流量计在线校准方面的基本知识，往往会忽视对测厚探头的设置，造成测厚探头与镜面表面不垂直，最终影响到测量结果的准确性。

3 应用超声流量计时应注意的问题

3.1 选点的问题

在利用超声流量计在线校准液体流量仪表时，应注意选点的问题。一旦选点不符合要求，便会导致管道出现扰动流和气泡；同时，确定安装的距离也是很重要的环节。一般情况下，安装距离应根据上下游位置的不同来确定——在上游，应选择大于10倍直管径的位置；在下游，应选择5倍直管径以内没有弯头、阀门等材质均匀的直管段。此外，安装的地点应尽量避开高压电、变频器等主要干扰物，且直管段的长度应尽量加长，这样更有利于消除各种不利因素。

3.2 管段选取的问题

在选择测量管道的过程中，应保证选取的管段内部流体充足。管段的材质应均匀分布，有利于超声波信号的传输。此外，管段内液体的流向也对校准结果具有直接影响，例如在垂直管段，液体的流向必须朝上。

3.3 传感器的安装

在在线校准工作中，传感器的安装对校准工作的质量有很大的影响，因此，校准人员必须重视传感器的安装工作。对于传感器的位置，应选择在管段轴面的水平方向上，并与轴面水平方向呈±45°角。在安装的过程中，应避免安装在管段的正下方或者正上方，这样才能避免上部气泡或下部沉淀等因素对传感器的正常测量造成影响。如果在安装的过程中受条件限制不能水平安装，则应当在满足管段内无气泡的条件下，使传感器的安装与水平方向垂直或具有一定的倾角。

3.4 管内清洁状况

校准人员应注意管内的清洁状况，尽量选择清洁、无结垢的管道来安装测量仪器。如果不能满足要求，则应当将结垢作为内衬来提高测量的精度，并在测量之前打磨管壁，然后用测厚仪测量壁厚。如果出现的数据偏差较大，则应当另选打磨点。

4 超声流量计的应用方法

4.1 技术要求

液体流量仪表在线校准工作的技术要求比较高，其技术要求主要体现在以下3个方面：①在线校准过程中运用的超声流量计应当符合国家相关的质量标准，并具备质量鉴定单位出具的证书。超声流量计往往都具有一定的误差，但是基本误差应

不超过±0.5%. 目前，大多数企业运用的超声流量计都是便携式超声流量计。该流量计的安装必须符合国家相关的操作规范。②在线校准时，应考虑到周围环境的温度、湿度、磁场和外界振动等条件，确保将开展液体流量仪表在线校准工作的不利影响降到最低，同时还必须考虑到超声波传输介质的因素，保证介质温度等参数符合校准工作的要求。③应检验在线校准工作中需要用到的辅助仪器设备，例如测厚仪、卷尺、秒表等，一旦发现有不符合质量标准的辅助设备，应及时更换。楔式流量计流量测量如图2所示。

1—法兰；2—高压取压口；3—楔形件；4—低压取压口；5—管道；6—变送器

图2 楔式流量计流量测量示意图

4.2 测量流程及方法

在利用超声流量计在线校准液体流量仪表的过程中，应注意测量流程的安排。首先，应测量管径，管道的外直径可以通过测量若干次外直径来计算出平均值，也可以通过测量管道周长来推算出管径。然后，应测量壁厚和安装标准表。在测量壁厚时，应利用测厚仪逐一测量不同点的管道壁厚，然后计算出平均值。在安装标准表的过程中，首先必须确定安装的距离，安装人员应根据事先测得的管道参数计算得出最适当的安装距离。此外，还应当做好管壁的清理工作，保证管壁能与换能器的表面贴合。最后，应进行零点检查，在可停流的管道上测量流量计的零点流量。如果发现有不符合标准的情况，则应采用动态零点检验的方法解决。在测量工作中，要严格按照相关的测量程序，保证测量的准确性。

5 结束语

总而言之，超声流量计在液体流量仪表在线校准中的应用大大提高了校准结果的准确性，但是校准的过程仍然受到许多因素的影响，需要注意的问题也很多，这就要求校准人员不断完善自身技术，提高校准工作的质量。

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〔编辑：王霞〕