便携式超声波流量计的量值溯源方法及流量测量研究

马龙博，陈果夫，张宁宁

（浙江省计量科学研究院 国家液体流量计量器具质量监督检验中心实验室，杭州 310018）

便携式超声波流量计在实际流量测量中的应用非常广泛。在对便携式超声波流量计进行流量测量的研究方面，许多学者做了大量的研究工作，取得了一定的研究成果[1-6]。但对便携式超声波流量计作为标准流量计对现场流量计进行监测或校准时，作为标准器的溯源方式尚未得到解决。目前由于计量部门实验室中的流量标准装置的管道规格口径不可能完全覆盖现场所有管径，故无法满足便携式超声波流量计所有管径条件的溯源实验需要，因此急需对便携式超声波流量计在不同规格管道间的量值溯源关系问题进行研究。

本文在总结前人研究成果的基础上[7-14]，首先根据便携式超声波流量计流量模型，提出了超声波流量计特征系数与管道口径无关的结论，基于该结论提出了将一种规格管道上得到的流量计特征系数应用到其他规格管道上进行流量测量的溯源方法，利用该方法对便携式超声波流量计在水流量标准装置的不同管径上进行了实验研究，取得了较好的研究结果，能够解决便携式流量计的量值溯源难题。

1 理论依据

1.1 基本原理

便携式超声波流量计是利用测量声波在流动介质中传播的时间与流速的关系原理来测量管道内部的平均流速。如图1所示，当洁净液体以一定的流速v流过流量传感器（包括上游换能器B1和下游换能器B2）时，上游换能器B1和下游换能器B2所发射的超声波信号分别被下游换能器B2和上游换能器B1所接收，由于超声波在顺流中的传播时间td和逆流中的传播时间tu不同，导致上游换能器B1和下游换能器B2接收到的超声波信号的时间不同，从而产生时间差Δt，该时间差Δt与流过流量传感器的洁净液体的平均流速v成正比。根据这一正比关系，在测得时间差Δt的情况下，可得到管道内部的平均流速v，再根据该平均流速v与流量q的关系，即可得到管道内部洁净液体的流量q。

图1 超声波通用原理Fig.1 General diagram of ultrasonic flowmeters

1.2 理论模型

超声波在顺流和逆流中传播长度为L的距离时所用的时间分别为

式中：td为超声波在顺流中的传播时间；tu为超声波在逆流中的传播时间；L为声道长度；c为超声波在非流动流体介质中的传播速度；v为管道中介质的平均流速；α为声道角。

令 Δt=tu-td，则由式（1）和式（2）可以得到：

式中：Δt为超声波在逆流和顺流中传播的时间差。

由式（3）可以得到：

因此，式（4）可以变为

由式（5）可以得到：

利用超声波流量计测量管道中的流量时，管道中的流体温度通常为常温，超声波在流体中的传播速度相差较小，故流体温度为常温条件时，一般将超声波在静止流体中的传播速度c作为常数处理；另外，便携式超声波流量计的上游换能器和下游换能器一旦设计并制造完成后，无论换能器在何种管道上安装，其声道角α均为固定的常数；而便携式超声波流量计的上游换能器和下游换能器在管道上安装完毕后，其声道长度L也变为常数。

根据上述分析并结合式（6）可知，便携式超声波流量计测量得到的管道中介质的平均流速v仅与超声波在逆流和顺流中传播的时间差Δt成正比，而与其他参数无关。为了将超声波流量计测量得到的管道内的流速转换为管道流量，将式（6）结合流体流过管道的截面积，并考虑超声波流量计自身的信号转换电路、安装误差等带来的影响，在引入k作为超声波流量计的特征系数的条件下可以得到管道中流体的流量为

式中：k为超声波流量计的特征系数，该特征系数由溯源或出厂检验时在水流量标准装置上标定得到；q为便携式超声波流量计测量得到的管道中的流量；D为管道直径。

根据式（7）的推导过程并结合前述分析可以看出，超声波流量计的特征系数k是用来修正超声波自身转换电路、安装误差等带来影响的固有系数，与管道规格口径无关，因此本文就利用超声波特征系数的这一固有特性，将超声波流量计在某一口径上标定得到的特征系数，直接应用到不同规格管道上进行流量测量，以期获得较好的研究结果。

2 实验装置及条件

实验的水流量标准装置如图2所示，主要由动力设备、水源稳压设备、前直管段、实验段、后直管段、背压管段、开式换向器及工作量器八部分组成。实验工质为水，实验中水由水泵导入水源稳压装置，经过稳压装置稳定后经过一个足够长的直管段进入实验段，再经过一个足够长的后直管段及背压管段，最后通过双分流器开式换向器进入称重量器。

图2 实验系统Fig.2 Structure diagram of the experiment system

实验管道内径分别为50 mm、80 mm和100 mm；稳压容器压力为0.3 MPa；水的流速为0.3～3 m3/h；水的密度为998 kg/m3；实验介质温度为常温。

3 实验结果分析

首先将准确度等级为1.0级的便携式超声波流量计在水流量标准装置的50 mm口径的管道上进行流量测量实验，得到便携式超声波流量计的特征系数、示值误差及重复性；然后，在不改变便携式超声波流量计特征系数的条件下，将便携式超声波流量计在100 mm口径的管道上进行实验，得到便携式超声波流量计的示值误差和重复性。实验得到的k系数为100.59%，实验结果如表1和表2所示。

为了更好地研究便携式超声波流量计在相同仪表系数、2种不同口径管道上进行流量测量时得到的示值误差的变化趋势，定义2种不同口径管道上的相同流速点下得到的示值误差差值的绝对值作为该流速点下示值误差的偏移量：

式中：ΔE为2种不同管道口径的相同流速点下便携式流量计的示值误差的偏移量；E1为一种管道口径上得到的便携式流量计的示值误差；E2为另一管道口径上得到的便携式流量计的示值误差。

根据式（8）可以计算得到相同流速点下DN50和DN100口径管道上得到的示值误差的偏移量，如表3所示。

表1 50 mm口径下的实验结果Tab.1 Test results of the 50 mm pipe diameter

表2 100 mm口径下的实验结果Tab.2 Test results of the 100 mm pipe diameter

表3 示值误差的偏移量Tab.3 Offset of indicating value error

由表1、表2和表3可以得出：

1）在相同的流速点及不改变流量计特征系数条件下，利用水流量标准装置测量的便携式超声波流量计在不同管径安装时的示值误差均在±1%的范围内，示值误差的测量重复性均在0.30%范围内，能满足超声流量计国家计量检定规程的最大允许误差和重复性的要求。

2）在不同管径下的相同流速点，测量得到的便携式流量计的示值误差的变化趋势并不相同，造成这一结果的原因是由于管道测量参数、流量测量探头安装位置等均具有误差，而这一误差将直接影响便携式超声波流量计的流量测量误差，反映在实验结果上则出现了上述示值误差的分布结果。

3）上述测量结果，进一步证明了特征系数仅与仪表自身有关，在一种规格管道上测量得到的超声波流量计特征系数，可以应用到其他规格管道上进行流量测量。

4）由于便携式超声波流量计本身的测量误差为±1.0%，本文认为利用便携式超声波流量计作为校准标准器对现场流量计进行校准时，由于现场安装条件、管道测量参数及探头安装距离等的影响，同时考虑标准器一般应满足被测仪表示值误差1/3的条件要求，采用便携式超声波流量计校准被测仪表时，得到的示值误差满足±3.0%，则可认为被测仪表的示值误差满足现场测量的要求。

4 结语

本文在分析便携式超声波流量计作为标准流量计对现场流量计进行监测或校准时的溯源问题的基础上，首先给出了超声波流量计的流量测量模型，根据该模型的推导过程得到了超声波流量计的特征系数与管道规格口径无关的结论，并基于该结论提出了将一种规格管道上得到的便携式超声波流量计特征系数应用到不同规格管道上进行流量测量的溯源方法，利用该方法对便携式超声波流量计在水流量标准装置的不同管径上进行了实验研究，取得了较好的研究结果，解决了便携式流量计作为标准流量计对现场流量计进行监测或校准时的量值溯源难题。

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