《建筑节能工程施工质量验收规范》（GB 50411 -2007)要求新建建筑应进行节能检测。超声波流量计是 系统节能性能检测最主要的仪器,本文结合现场实际,在实际测量的基础上,对超声波流量计的影响因素（计量精 度、直管段长度、管径、壁厚、流体温度、内衬及材质、噪声等）进行了研究分析。

1.引言

空调水系统被称为空调系统的‘‘血液循环系 统”,空调水就是“血液循环系统”里的“血液”,是空 调系统最重要的部分，承担为空调系统输送冷量的 作用。空调系统的‘‘血液循环系统”功能的完善与 否“血液”的“健康”与否，直接影响空调系统的正 常使用和制冷效果=《建筑节能工程施工质量验收 规范》（GB 50411-2007) 11.2. 11条强制性规定，空 调系统的冷（热）水总流量、冷却水总流量、空调机 组水流量为系统联合试运转及调试检测项目，并给 出了允许偏差或规定值。该规范14.2条系统节能 性能检测部分要求，空调系统的冷（热）水总流量、 冷却水总流量、空调机组水流量应由建设单位委托具有相应资质的检测机构检测并出具检测报告。 《公共建筑节能检测标准》（JGJ/T 177-2009)规定， 空调系统现场检测流量测试仪表应采用超声波流 量计。超声波流量计已成为空调水系统节能检测 最常用的仪器设备。

2.超声波流量计的工作原理

超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种流量测量仪器，适于 测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。根 据对信号检测的原理，超声波流量计大致可分为传 播速度差法（包括：直接时差法、时差法、相位差法、 频差法）、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波 法及噪声法等。其中，频差法和时差法克服了声速 随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被 广泛采用。

时差法超声波流量计原理示意图如图1所示。 在图1中，有两个换能器一顺流换能器和逆流换 能器,两个换能器分别安装在流体管线的两侧，并 相距一定距离。超声波行走的路径长度为i,超声 波的传播方向与流体的流动方向夹角为0。由于流 体流动的原因，超声波顺流传播i长度的距离所用 的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差与流体 流速存在线性关系。这样,通过观测超声波在介质 中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流 速,再通过流速来计算流量。

3.超声波流量计的影响因素分析

常见的影响超声波流量计现场检测精度的因 素可以归纳为以下几点：

（1）流量计本身的计量精度；

（2）管道因素的影响（直管段长度、管径、输入 壁厚、内衬及管道材质等）；

（3）噪声的影响（被测介质是否满管及附近是 否有干扰源）。

3.1流量计本身的计量精度

现场采用便携式流量计 Portaflow作为液体流量主要检测仪器，其原理是采 用时差法测量。仪器借助夹钳式传感器，能够精确 测量密闭管道内的液体流量。该仪器配有A、B两 种传感器，即换能器，分别用于小管径及大管径管 道的测试，能够测量几乎所有管道材质及管径范围 从13mm ~ 5000mm的管道流量。广州市能源检测研究院校准证书校准结果如表1所示。

可见,常见流速范围内，所用便携式流量计Por- taflow示值误差均在±2%以内，其中A传感器为正 偏差，且在流速为0. 89m/S、流量为25.0m3 /h时，其 误差最小;B传感器为负偏差，且在流速为3.5m/s、 流量为100. 0m3/h时，其误差最小。示值误差随着 被测管道流量的变化曲线如图2所示。

可见,在管道流量40m3/h以内，A、B两种传感 器示值误差变化较为平稳。当管道流量大于 40m3/h时，随着被测管道流量的增加，A传感器示 值误差逐渐加大，而B传感器逐渐减少。现场空调 水流量检测时，为减少测试误差，大流量管道应选 择B传感器,小流量管道采用A传感器，且应根据 计量结果对流量测量结果进行修正。

3.2管道因素的影响

由于现场空调管道情况的影响，便携式超声波 流量计的使用精度往往低于其标称精度，当误差较 大时,甚至不能满足使用要求。为了评价管道因素 对便携超声波流量计的影响，用便携式流量计进行 了管道影响因素的试验分析。

(1)直管段（流态）。一般要求流量计上游、下 游分别有管径10倍和5倍以上的直管段（称之为标 准直管段长度工况）,以确保被测介质的流态满足仪表精度要求。实际检测时,往往找不到满足标准 直管道长度工况要求的安装位置，在标准直管段长 度和非标准情况下试验结果如表2所示。

结果表明，上游直管段对精度影响较大，下游 直管段对精度影响较小。依据试验结果，上游侧有 3倍以上、下游有1倍以上管径直管时，可基本满足 使用要求（与标准直管道长度工况相对误差在1% 以内）。

(2)管道参数输入误差的影响。流量计安装 时,需输入管径、管壁厚等参数。在管道固定不变 的情况下改变输入参数，测量结果如表3 -表5 所示。

从表3可以看出，管径设置（输入）误差与流量 测量结果误差之间的关系为正相关，即管径输入误 差为正偏差，实际测量结果误差为正偏差。管径外 径误差导致管道截面积误差，进而影响流量计算， 测量结果误差随着管径设置（输入）误差的增大而 增大。管径误差为-10%时，超声波流量计显示无 信号。管径误差为+ 10%时,DN100管径流量测量 相对误差达到12. 1%。因此，节能检测时，管径误 差对超声波流量计测量结果影响较大，管径误差应 准确输入。

从表4可以看出，管壁厚度设置（输入）误差与 测量结果误差成负相关，即管壁厚度输入为正偏 差,测量结果误差为负偏差。壁厚误差同样导致内 径误差，造成流量测量误差。管道尺寸108mmX 4mm,壁厚输入在±2mm误差范围内，此时流量实 测值最大相对误差为+1.5% ;管道尺寸159mm X 4. 5mm,壁厚输入误差在± 1. 5mm误差范围内，此 时流量实测值最大相对误差为+2.8% ;管道尺寸为 219mm X 6mm,壁厚输入误差在± 3mm误差范围 内，此时流量实测值最大相对误差为+3.9%。节能检测中，壁厚输入误差对管道实测流量的影响一般 在5%范围内。对于精准测量，需要精确测量管壁 壁厚，以免影响管道流量测量结果。

从表5可以看出，流体温度误差对流量测量结 果的影响较小,现场节能检测时可以忽略不计。流 体温度主要通过影响流体密度,进而影响流量计算 结果。查询相关试验数据可知，流体温度对流体密 度的影响相对较为微小。

(3)内衬及管道材质的影响。被测管道材质及 内衬输入错误时,造成传感器安装距离i的计算错 误,使超声波流量计的入射角0产生误差,影响测量 结果,严重时影响测量信号，使超声波流量计无法 正常工作。试验表明，管道内衬对测量的影响主要 源于其造成了实际管径的变化。内衬减少了过水 截面积,通过流速换算的流量相应偏小。测量误差 与管道截面积的变化成正比，如果内衬过厚、设置 时被忽略或内衬与管壁有间隙时，一般会发生探测 或信号错误。因此,测量时应据实准确输入内衬的 材料及厚度。如果遇到管道内壁结垢相对均匀、信 号基本正常时，也可将管道内壁结垢视为内衬，进 行一定的补偿，可以减少测量误差。目前，节能检 测的对象一般是新建建筑,几乎不存在管道内壁积 垢的问题。管道及内衬材质对测量的影响反映在 超声波在各种介质中传播速度的差异上，如果材质 的实际声速小于设置的声速（如错把塑料管当镀锌 钢管）,则测量结果偏大,反之则偏小。

3.3噪声的影响

如果流体中存在超声噪声，且噪声的频率与超 声波流量计的工作频率范围一致，那么将使得换能 器无法检测并分辨出正常的工作超声脉冲信号,导 致流量计发生读数错误或停止计量。现场检测时, 产生超声噪声的噪声源有很多，最常见的是管道非 满管及流体介质污浊。一般来说,现场检测噪声的 产生源主要有：(1)流过管道的高速气流（非满管 流）;(2)附件的干扰源（压力或流量调节阀、水泵风 机运行等）。

超声波流量计对降压元件产生的噪声尤其敏 感,甚至有些低噪声阀门比调压阀对超声波流量计 产生的影响还要大，这是因为，采用了低噪声技术 的阀门主要是针对人耳可听见的噪声范围进行降 噪,而这个范围与影响超声波信噪比的声谱范围不 完全一致。国外气体流量实验室开展的不同类型的“噪声发生器”（如整流器、调压阀等）对超声波流 量计性能影响的定量测量实验研究结果表明，噪声 (如整流器产生的噪声）对某些类型的超声波流量 计准确度和稳定性存在一定的影响，其带来的计量 误差可达2%。一般来说,为降低噪声干扰，宜把流 量计安装在调节阀等噪声元件的上游。

4.小结

超声波流量计是节能检测的必备设备，节能检 测中要求的或涉及到的流量参数（冷水机组实际性 能系数、空调水泵效率、冷热水总流量、冷却水总流 量、空调机组水流量等）都需要超声波流量计测量， 其优点是不用在流体中安装测量元件，不会改变流 体的流动状态，不产生附加阻力，因而在节能检测 中应用非常广泛。在实际应用中，需要注意以下 问题：

（1）定期对超声波流量计进行维护保养，定期 送检计量,并根据计量结果对检测结果进行修正。

（2）测量数据不仅仅是个仪表显示数值，它需 要在测量过程中综合考虑管道因素（直流管段长 度、管径、壁厚、流体温度等）的影响,尽可能降低测 量误差。

（3）被测管道材质及内衬输入错误时，将产生 较大的测量误差，因此测量时应据实准确输入管道 材质及内衬材料。

（4）噪声对超声波流量计准确度和稳定性存在 一定的影响，现场测量中，一般把超声波流量计安 装在噪声元件的上游，尽量降低噪声对测量结果的 影响。