便携式超声波流量计在管线测量中的运用

戴铁兵

摘 要：本文主要分析了便携式超声波流量计在管线测量过程中的应用，发现了对测量结果可能产生影响的几点因素，并提出了相应的测量方法。同时也对时差法超声波流量计不确定度进行了分析。

关键词：便携式;超声波流量计;时差法;不确定度

1 引言

现阶段，便携式超声波流量计使用面比较广泛，比如水务部门地下水资源计量仪表在线监测、环保部门计量仪表在线监测、供水部门计量仪表在线监测、热力部门计量仪表在线监测等。本文主要分析了便携式超声波流量计在使用过程中可能会遇到的影响因素并给出了一些建议，同时也对测量过程的不确定度进行了分析，为超声波流量计的准确使用提供了参考。

2 对测量结果有影响的主要因素

2.1 温度

便携式的超声波流量计的探头材质因价格高低而不同，生产厂家会根据不同用户的个性需求选择不同的材质进行制作。另外，随着介质温度不断的升高，介质的性质和性能也可能会发生一些变化，生产者会结合实际情况选用一些修正方法来减少因温度变化造成精确度的影响。因此，操作使用者在实际的测量过程中需要严格遵循流量计探头的适用范围，避免因不在适用范围内测量而造成的测量误差或无法测量情况出现。另外，也存在一些超声波流量计设置有温度范围的选项程序，针对不同温度选择合适的温度范围。但是，这种选择程序也可能会对测量有一定程度的影响，因此操作者在使用的过程中要根据操作手册的要求进行来保证测量结果的精确性。温度过高可能会在短时间内造成耦合剂浓度降低失去测量作用，从而会出现测量结果误差大、无法测量的情况。

2.2 直径

超声波流量计的工作原理是：超声波流量计测量出来的结果是被测量管道内的平均流速，流量是通过测得的流速与面积经过计算得出的，因此，精确测量出管道的面积可以有效的减少测量误差。管道面积的测量时通过直径测量计算得出的，首先需要使用超声波测厚仪测量管道的厚度，接下来计算出管道的直径从而计算出管道面积。然而，在实际的测量过程中这种方法可能就会有一定的误差，因为我们现在测量的管道大多数都使用了一段时间，管道内部肯定避免不了有结垢的地方，甚至一些地方的结垢厚度会超过10mm。但是，这些结垢的厚度暂时还没有能够在管道外部就可以精准测量的方法和仪器。所以测量数据在和在线流量计测量的数据进行对比之后就会发现在线流量计显示的流量要比超声波测量计显示的流量要小，这是因为流量计是新安装的，内部没有结垢。

因此，在实际测量的过程中要根据实际情况尽可能的得到管道厚度的精确值。管道如果是最近安装的，就不需要考虑管道会出现结垢的情况，可以直接将测量结果作为直径应用。如果管道安装了一段时间，就需要考虑结垢的厚度。有以下几种方法可以提供参考：一是如果工作管道可以停止，可以对管道进行拆开然后测量结垢的厚度;二是对于无法停止拆卸的管道可以找一条和这个管道相同的可拆卸的管道进行结垢厚度测量;三是可以先估量一个结垢的厚度进行计算，在之后可以拆卸管道的时候在进行测量，对结果进行修正;四是对于口径大、管道长的企业，可以设置一段专门用来测量的管道作为实验管线计算流量面积。

2.3 电磁场影响

在实际测量的过程中可能会出现不管探头位置如何调整，信号强度很弱或没有信号，无法对流量进行测量。这种情况下，就需要对管道周围的环境进行检查，确认是否存在强磁场的影响。比如，在管道附近是否安装有大功率的变压器、水泵、启动器等大型电器设备，与管道并排铺设的是否有电缆、电线排等。根据实际经验，在距离测量点4m左右的高压电线就会对测量的数据造成嚴重的影响。在现实生活中，并不是所有人对超声波流量计的工作原理都很熟悉，因此会有不少流量计被安装在电磁场影响较大的位置，如泵房、高压线附近。这种环境下，这些大型的电器设备就会产生强磁场，这些磁场就会导致超声波流量计信号接收功能无法正常使用，造成无法测量的情况。

2.4 测量位置的选择

测量位置的选择有相关的规定，速度式的仪表需要安装在直管段，并且直管段的长度最少为管道直径的15倍，安装点需要控制在直管段上游10倍管径处、下游5倍管径处。现场检测过程中也要尽可能的去选择满足这个规定的检测点，但是实际情况是很多检测点都无法满足这些要求，尽管直管段达到要求了也不一定是理想的测量点。根据测量经验，需要考虑一下几点：根据实际情况尽量满足测量的规程规定;如果找不到满足直管段要求的检测点，应该选择测量点上游管道对流动影响很小的位置（尽可能避开弯头这些流量、压力损失比较大的位置）;在同一条管道中选择位置相对低的地方进行测量，这样流体就会尽可能的充满管道;选择水平管道的时候不要在管道的上方进行测量，因为可能会存在管道未充满，上方存在气体的情况;对垂直设立的管道进行测量时要选择流体流向向上流动的管道，这种管道正常情况下会充满流体。

2.5 超声波流量计探头的安装方式

超声波流量计探头的安装方式一般有两种，V法安装和Z法安装。V法安装适用于管径小于200mm的管道;Z法安装适用于管径大于200mm的管道。V法安装的要求是：首先要确定一个点，然后根据安装距离在水平位置定位出另一个点;Z法安装的要求是：首先确定一个点，然后根据安装距离在水平位置定位出另一个点，然后再测出此点在管道另一侧的对称点。

3 时差法超声波流量计不确定度分析

使用超声波流量计进行测量可以分成两种情况，一种是利用超声波流量计对管道上安装的流量仪表进行测量，比较两者的数值，从而检测流量计是否符合有关标准;另一种就是对管道上没有安装流量仪表的管道进行测量，这时超声波流量计显示的数值就是管道中的实际流量。这两种情况下测量结果用途不同，评定方式也不完全一致。例如，第一种情况的测量的目的在于调整流量仪到合格的范围;第二种情况是为了测出管道的实时流量。

第一种情况的不确定度分析：在管道上安装有流量仪表的情况下，利用超声波流量计对管道进行多次的测量然后将测量结果和流量仪表显示的数值进行对标，最后确定流量仪表的误差。

根据一般相对误差的表达式可以得出：

其中δ表示的是流量仪表的相对误差（%），q安装流量仪的瞬时平均值（m3/h），q0是超声波流量计测得的瞬时流量平均值（m3/h）。

实际测得的流量值具有不稳定性，不管是超声波流量计还是已安装的流量仪都难以获取到瞬时的流量值，所以需要经过多次测量取测量的平均值，即从某一时刻开始同时读取两个流量计的数值，连续读取十到二十次，取平均值。这时数学表达式就是：

其中δr是被测流量计的测量重复性（%），δ0是超声波流量计的测量重复性（%）。

不确定度就是：

第二种情况的不确定度分析：在管道上没有安装流量仪的情况下，流量大多相对稳定，我们给出的是在测量条件下的瞬时流量，即经过多次测量得到的平均流量。

其中，q为平均瞬时流量值（m3/h），qi是第i次的瞬时流量值（m3/h）。这时的测量结果不确定度和超声波流量计的准确度和测量的重复性有关，不确定度为：

4 结语

本文通过分析和讨论，总结出了一些超声波流量计的测量方法和技巧，同时也给出了修正测量误差的参考标准，为超声波流量计在实际的使用过程中可以充分发挥作用提供了参考。

参考文献：

[1]李广峰，高勇.超声波流量计的高精度测量技术[J].仪器仪表学报，200l（12）：645.

[2]王宏伟，戚翠红.超声波流量计在油田污水计量中的应用探讨[J].科技信息，2008（15）：370.