超声波流量计在水平衡测试中的误差分析

1.水平衡测试

水平衡测试涉及到大量的水量测试工作， 包括企业各个车间和生产设备的新水量、重复利用量、耗水量、排水量和漏失水量等测试内容。 水量测试常用的测试方法包括直接测试法和间接测试法， 直接测试法有流量计法、流速仪法、容积法等，间接测试法由于精确度较差只有在直接法无法测试时才选用。 目前直接测试法中常用的流量计有水表、差压式流量计、电磁波流量计和超声波流量计， 其中超声波流量计以其独有的特点和适用性在水平衡测试工作中得到广泛应用， 其测试工作的顺利开展和测试结果的优劣对整个水平衡测试工作具有举足轻重的作用。

2.超声波流量计测试特点

超声波束在液体中传播时， 液体的流动将使传播时间产生微小变化， 其传播时间变化正比于液体的流速。 流量为零时，流量计两个传感器发射和接受声波所需要的时间完全相同；液体流动时，逆流方向的声波传播时间大于顺流方向的声波传播时间。 超声波流量计就是利用这一原理并采用了先进的微处理数字技术，对企业生产、生活过程中利用、产生的新水、污水、海水等均匀液体或水蒸气都可进行测量。

超声波测流过程具有不妨碍流体运动的特点，测量过程无需改变管道截面，无压力损失，不破坏输水、用水设备，同时其测量准确度高。 尤其是便携式流量计的出现，使测量设备易于携带和安装，测量过程不影响企业生产， 测量结果准确并可实现自动打印和长时间连续监测。 便携式流量计的以上优点使其在用水工艺复杂、 输水管路众多的企业水平衡测试工作中大显身手， 但由于企业测试环境的复杂多样和测试设备使用不当， 往往难以得到满意的测试结果。 现以TDS-100P型便携式超声波流量计为例，分析超声波流量计在水平衡测试过程中的应用条件及影响测量精度的主要误差来源.

3.超声波流量计在水平衡测试中的误差影响分析与应用

超声波流量计在水平衡测试中的测量误差主要产生于仪器本身、外部环境、参数输入和仪器安装四大方面和过程。

3.1外部环境对测量误差的影响

3.1.1温度

温度对超声波流量计测量误差的影响有外界空气温度和被测水体温度两方面。 虽然超声波测量流量的准确度几乎不受被测流体的温度影响， 但测量设备超声波流量计本身却有温度限制。 仍以TDS-100P型便携式超声波流量计为例其主机要求的工作环境温度为-10 ℃~70 ℃，常温传感器的适应范围为0 ℃~70 ℃， 高温传感器的适应范围为0 ℃~160 ℃。

不同类型的超声波传感器材质不同， 适应的介质温度不同， 同时设计者根据实际情况采用相关的设计或修正来避免温度差异带来的影响。 因此，在企业锅炉房或循环冷却水的水量测量过程中， 应事先观测好水温、环境温度等情况。 否则，一旦出现不符合仪器或传感器的适用温度范围的情况， 将有可能导致测量结果失准；另一方面，在测量高温流体时，由于管道温度高， 可能导致传感器上涂抹的凡士林耦合剂快速融化，造成测量结果无效或难以测量，这种情况下应及时观察耦合剂情况或选用耐高温的耦合剂。

3.1.2震动和电磁场

在企业水平衡测试过程中， 有时候会出现超声波流量计的安装、参数输入、仪器本身都没有问题，可就是没有信号、 信号达不到要求或流量测试结果一直增大的情况。 这种情况通常发生在震动感明显的大功率水泵或电器设备附近。 企业输排水管道一般采用地下埋设方式， 通常只有在泵房或供用水设备附近才有易于测量的管道出露部位， 实际应用中超声波流量计也常常安装于这些位置。 这时就要注意有没有大功率的水泵、 变压器、 高压线等电器设备，这些设备会产生很大磁场，而强磁场会对超声波流量计的接收功能产生极大影响， 使测量信号时有时无。 当流量计安装附近有明显震源导致被测管道有明显震感时， 有可能出现流量数据一直加大的不稳定情况。 因此，在超声波流量计测试中出现上述情

况时，应重新选择安装地点，远离强磁场和震动源。

3.1.3测量地点

企业大部分生产设备、生产工艺的取、用水具有间断性、不稳定性和长周期性的特点，因此测试通常需要连续监测24h，甚至更长时间。 一般为了节省人力，需要设置仪器自动监测，这就需要在仪器安装时选择一个相对安全的测量地点， 防止人或物意外碰撞仪器，导致测量不准或测量终止。 测量地点的选择还要注意防雨、防水，同时应注意用电安全。

3.2仪器安装对测量误差的影响

3.2.1安装位置

由于超声波在传播时，其能量衰减、声速及声阻抗都和媒质的特性和状态有关， 为使测区不受涡体干扰，满足测量精度和稳定性，超声波流量计的传感器应安装于流场均匀分布的管段。 理想条件下应保证安装点上游至少有10倍管径的直管段、 下游有至少5倍管径的直管段， 同时测点位置应远离弯管段、

节流阀、变截面或其他引起紊流的地点。 但在实际的水平衡测试工作中能够达到理想条件的安装位置并不多，在尽可能满足直管段要求的条件下，应选择安装点上游管线对流动干扰小的位置， 尽量避免上游的立体弯头、蝶形阀、差压式流量计等压力损失较大的设备。 对于TDS-100P型便携式超声波流量计还要求输水管路中充满液体， 液体内气体和固体的含量不能超过一定限度，主要是阻尼作用（超声波遇干扰物质产生反射）太大。 为满足上述条件，水平衡测试工作中传感器应安装在水体向上流动的管段或U型

管段下部。

3.2.2安装方式

便携式超声波流量计一般有4种安装方式，分别是V法、Z法、N法和W法， 对于多数超声波流量计来说常用的只有V法和Z法。 每种安装方式有各自的应用范围和优缺点，TDS-100P型便携式超声波流量计V法适用的管径范围 DN15mm~DN400mm，Z法适用的管径范围DN100mm~DN6000mm，N法和W法的特点是通过增加超声波的传输距离来提高精度， 主要用于测量小管径管道。 V法是标准的安装方式，简单准确，但实际测量工作中会出现管径符合V法安装要求， 但由于管道锈蚀等原因导致信号质量达不到要求， 此时应选用信号接收强度更大的Z法。 Z法声程短、信号强，适用于大管径管道，但存在探头定位难度大， 容易产生误差问题， 因此在V法和Z法都适用时，还是尽量采用V法进行测量。 对于大管径管道测

量时还应注意传感器型号的适用范围。

3.2.3安装细节

安装过程中应注意， 传感器安装距离的量取是以两传感器最内边缘距离为准，V法应沿管道表面与轴线平行方向量取，Z法两探头应处于反向对称的位置。 安装时欲安装传感器的管道区域应清理干净，去掉保护层、漆皮，打磨使之露出金属光泽。 由于传感器为平面、管道为曲面，在涂抹耦合剂时，要充满管道与传感器探头之间的空隙，防止空气、沙尘进入影响信号传输。 在安装最后的传感器捆绑时，还应注意夹具应固定传感器中心部位，防止受力不均，夹具掉落，影响监测。 以上安装细节均直接影响传感器信号接收质量、强度及传输比，最终影响到测量结果和精度。

3.3参数选择对测量误差的影响

超声波流量计在安装过程中需要计算两个传感器之间的安装距离， 安装距离的准确与否直接影响信号接收强度， 信号强度的好坏对测量结果的影响很大，尤其是对于Z法安装这一影响更为明显。 为计算准确的安装距离需要输入管道外径、管道壁厚、管材、衬材参数、流体类型、传感器类型和传感器安装方式7个参数。 这7个参数在实际工作中容易出现误差或难于获得数据的主要是管道外径和管道壁厚两项，其余参数只需根据实际情况进行相应修改。

在企业管道流量测试中一般没有出露的管道截面可供直接量取其外径和壁厚。 这时管道外径可通过量取外周长间接获得，为减少量取外周长的误差，在周长测量过程中应采用带有毫米刻度的软尺进行；为不影响企业生产而拆开输水管道，管道壁厚数据可通过查阅图纸资料或直接测量现场废弃的同型号管材。 ±1mm的壁厚误差可对流量结果产生2%的误差影响，管径越大误差影响越小，因此在满足精度要求的前提下， 可根据不同管材和管径与壁厚的关系采用经验数据。 传感器安装位置尽量选择在较新的管段， 陈旧的管段管内积垢过多会使输入的管道壁厚与实际不符， 如果知道垢层厚度可作为内衬处理。 在其他参数选取时，还应注意不同的传感器类型和安装方式有不同的管径适用范围， 选择不当会计算出错误的安装距离。

3.4仪器系统本身对测量误差的影响

超声波流量计和其他计量仪表、 仪器一样都需要检定和校准， 在企业水平衡测试前或发生使用异常时应及时进行检验， 以保证测试仪器的正常使用和测试精度。

3.4.1仪表系数

仪表系数是指“真值”和“示值”之比，TDS-100P型便携式超声波流量计仪表系数只决定于晶体振荡器频率和探头，出厂时仪表系数值默认为“1”。 在实际测量过程中由于存在管道等方面的因素差异，仪表系数应用流量标准装置或在线仪表来进行标定，修正不同管道引起的误差。

3.4.2流量系数

管道中实际过流断面速度分布不均， 会引起超声波射线轨迹的变化和线面平均速度之差。 这两种变化引起的流量测量误差不可避免，前者影响较小，不必修正；后者在管道内流速分布变的极为复杂时，测量误差将会大大增加， 因此实际测量中应避免安装在容易产生紊流段的管路。 温度变化可引起水的黏度变化，黏度变化引起雷诺数的变化，进而引起流量系数的变化。 在水平衡测试中，只有被测水体的温度偏离许用温度较大时， 才需要根据实际情况对流体黏度系数进行修正。

4.结语

超声波流量计在水平衡测试中的误差来源及其影响因素进行了细致分析， 对如何针对误差影响因素正确使用超声波流量计和提高测流精度进行了研究和经验总结， 为水平衡测试工作者在实际应用中提供参考。