便攜式超聲波流量計(jì)在實(shí)際流量測(cè)量中的應(yīng)用非常廣泛。在對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量的研究方面,許多學(xué)者做了大量的研究工作,取得了一定的研究成果[1-6] 。但對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或校準(zhǔn)時(shí),作為標(biāo)準(zhǔn)器的溯源方式尚未得到解決。目前由于計(jì)量部門實(shí)驗(yàn)室中的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的管道規(guī)格口徑不可能完全覆蓋現(xiàn)場(chǎng)所有管徑,故無法滿足便攜式超聲波流量計(jì)所有管徑條件的溯源實(shí)驗(yàn)需要,因此急需對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)在不同規(guī)格管道間的量值溯源關(guān)系問題進(jìn)行研究。

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上[7-14] ,首先根據(jù)便攜式超聲波流量計(jì)流量模型,提出了超聲波流量計(jì)特征系數(shù)與管道口徑無關(guān)的結(jié)論,基于該結(jié)論提出了將一種規(guī)格管道上得到的流量計(jì)特征系數(shù)應(yīng)用到其他規(guī)格管道上進(jìn)行流量測(cè)量的溯源方法,利用該方法對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不同管徑上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,取得了較好的研究結(jié)果,能夠解決便攜式流量計(jì)的量值溯源難題。

便攜式超聲波流量計(jì)是利用測(cè)量聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的時(shí)間與流速的關(guān)系原理來測(cè)量管道內(nèi)部的平均流速。如圖1所示,當(dāng)潔凈液體以一定的流速v流過流量傳感器(包括上游換能器B1和下游換能器B2)時(shí),上游換能器B1和下游換能器B2所發(fā)射的超聲波信號(hào)分別被下游換能器B2和上游換能器B1所接收,由于超聲波在順流中的傳播時(shí)間td和逆流中的傳播時(shí)間tu不同,導(dǎo)致上游換能器B1和下游換能器B2接收到的超聲波信號(hào)的時(shí)間不同,從而產(chǎn)生時(shí)間差Δt,該時(shí)間差Δt與流過流量傳感器的潔凈液體的平均流速v成正比。根據(jù)這一正比關(guān)系,在測(cè)得時(shí)間差Δt的情況下,可得到管道內(nèi)部的平均流速v,再根據(jù)該平均流速v與流量q的關(guān)系,即可得到管道內(nèi)部潔凈液體的流量q。

超聲波在順流和逆流中傳播長(zhǎng)度為L(zhǎng)的距離時(shí)所用的時(shí)間分別為

式中:td為超聲波在順流中的傳播時(shí)間;tu為超聲波在逆流中的傳播時(shí)間;L為聲道長(zhǎng)度;c為超聲波在非流動(dòng)流體介質(zhì)中的傳播速度;v為管道中介質(zhì)的平均流速;α為聲道角。

令Δt=tu-td,則由式(1)和式(2)可以得到:

式中:Δt為超聲波在逆流和順流中傳播的時(shí)間差。

由式(3)可以得到:

由于v<<c,故 ;又cosα<1,所以有

因此,式(4)可以變?yōu)?/p>

由式(5)可以得到:

利用超聲波流量計(jì)測(cè)量管道中的流量時(shí),管道中的流體溫度通常為常溫,超聲波在流體中的傳播速度相差較小,故流體溫度為常溫條件時(shí),一般將超聲波在靜止流體中的傳播速度c作為常數(shù)處理;另外,便攜式超聲波流量計(jì)的上游換能器和下游換能器一旦設(shè)計(jì)并制造完成后,無論換能器在何種管道上安裝,其聲道角α均為固定的常數(shù);而便攜式超聲波流量計(jì)的上游換能器和下游換能器在管道上安裝完畢后,其聲道長(zhǎng)度L也變?yōu)槌?shù)。

根據(jù)上述分析并結(jié)合式(6)可知,便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量得到的管道中介質(zhì)的平均流速v僅與超聲波在逆流和順流中傳播的時(shí)間差Δt成正比,而與其他參數(shù)無關(guān)。為了將超聲波流量計(jì)測(cè)量得到的管道內(nèi)的流速轉(zhuǎn)換為管道流量,將式(6)結(jié)合流體流過管道的截面積,并考慮超聲波流量計(jì)自身的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、安裝誤差等帶來的影響,在引入k作為超聲波流量計(jì)的特征系數(shù)的條件下可以得到管道中流體的流量為

式中:k為超聲波流量計(jì)的特征系數(shù),該特征系數(shù)由溯源或出廠檢驗(yàn)時(shí)在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上標(biāo)定得到;q為便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量得到的管道中的流量;D為管道直徑。

根據(jù)式(7)的推導(dǎo)過程并結(jié)合前述分析可以看出,超聲波流量計(jì)的特征系數(shù)k是用來修正超聲波自身轉(zhuǎn)換電路、安裝誤差等帶來影響的固有系數(shù),與管道規(guī)格口徑無關(guān),因此本文就利用超聲波特征系數(shù)的這一固有特性,將超聲波流量計(jì)在某一口徑上標(biāo)定得到的特征系數(shù),直接應(yīng)用到不同規(guī)格管道上進(jìn)行流量測(cè)量,以期獲得較好的研究結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖2所示,主要由動(dòng)力設(shè)備、水源穩(wěn)壓設(shè)備、前直管段、實(shí)驗(yàn)段、后直管段、背壓管段、開式換向器及工作量器八部分組成。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為水,實(shí)驗(yàn)中水由水泵導(dǎo)入水源穩(wěn)壓裝置,經(jīng)過穩(wěn)壓裝置穩(wěn)定后經(jīng)過一個(gè)足夠長(zhǎng)的直管段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段,再經(jīng)過一個(gè)足夠長(zhǎng)的后直管段及背壓管段,***后通過雙分流器開式換向器進(jìn)入稱重量器。

實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)徑分別為50 mm、80 mm和100 mm;穩(wěn)壓容器壓力為0.3 MPa;水的流速為0.3~3 m/h;水的密度為998 kg/m;實(shí)驗(yàn)介質(zhì)溫度為常溫。

首先將準(zhǔn)確度等級(jí)為1.0級(jí)的便攜式超聲波流量計(jì)在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的50 mm口徑的管道上進(jìn)行流量測(cè)量實(shí)驗(yàn),得到便攜式超聲波流量計(jì)的特征系數(shù)、示值誤差及重復(fù)性;然后,在不改變便攜式超聲波流量計(jì)特征系數(shù)的條件下,將便攜式超聲波流量計(jì)在100 mm口徑的管道上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到便攜式超聲波流量計(jì)的示值誤差和重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)得到的k系數(shù)為100.59%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

為了更好地研究便攜式超聲波流量計(jì)在相同儀表系數(shù)、2種不同口徑管道上進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)得到的示值誤差的變化趨勢(shì),定義2種不同口徑管道上的相同流速點(diǎn)下得到的示值誤差差值的值作為該流速點(diǎn)下示值誤差的偏移量:

式中:ΔE為2種不同管道口徑的相同流速點(diǎn)下便攜式流量計(jì)的示值誤差的偏移量;E1為一種管道口徑上得到的便攜式流量計(jì)的示值誤差;E2為另一管道口徑上得到的便攜式流量計(jì)的示值誤差。

根據(jù)式(8)可以計(jì)算得到相同流速點(diǎn)下DN50和DN100口徑管道上得到的示值誤差的偏移量,如表3所示。

由表1、表2和表3可以得出:

1)在相同的流速點(diǎn)及不改變流量計(jì)特征系數(shù)條件下,利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量的便攜式超聲波流量計(jì)在不同管徑安裝時(shí)的示值誤差均在±1%的范圍內(nèi),示值誤差的測(cè)量重復(fù)性均在0.30%范圍內(nèi),能滿足超聲流量計(jì)計(jì)量檢定規(guī)程的***大允許誤差和重復(fù)性的要求。

2)在不同管徑下的相同流速點(diǎn),測(cè)量得到的便攜式流量計(jì)的示值誤差的變化趨勢(shì)并不相同,造成這一結(jié)果的原因是由于管道測(cè)量參數(shù)、流量測(cè)量探頭安裝位置等均具有誤差,而這一誤差將直接影響便攜式超聲波流量計(jì)的流量測(cè)量誤差,反映在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上則出現(xiàn)了上述示值誤差的分布結(jié)果。

3)上述測(cè)量結(jié)果,進(jìn)一步證明了特征系數(shù)僅與儀表自身有關(guān),在一種規(guī)格管道上測(cè)量得到的超聲波流量計(jì)特征系數(shù),可以應(yīng)用到其他規(guī)格管道上進(jìn)行流量測(cè)量。

4)由于便攜式超聲波流量計(jì)本身的測(cè)量誤差為±1.0%,本文認(rèn)為利用便攜式超聲波流量計(jì)作為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),由于現(xiàn)場(chǎng)安裝條件、管道測(cè)量參數(shù)及探頭安裝距離等的影響,同時(shí)考慮標(biāo)準(zhǔn)器一般應(yīng)滿足被測(cè)儀表示值誤差1/3的條件要求,采用便攜式超聲波流量計(jì)校準(zhǔn)被測(cè)儀表時(shí),得到的示值誤差滿足±3.0%,則可認(rèn)為被測(cè)儀表的示值誤差滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的要求。

本文在分析便攜式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或校準(zhǔn)時(shí)的溯源問題的基礎(chǔ)上,首先給出了超聲波流量計(jì)的流量測(cè)量模型,根據(jù)該模型的推導(dǎo)過程得到了超聲波流量計(jì)的特征系數(shù)與管道規(guī)格口徑無關(guān)的結(jié)論,并基于該結(jié)論提出了將一種規(guī)格管道上得到的便攜式超聲波流量計(jì)特征系數(shù)應(yīng)用到不同規(guī)格管道上進(jìn)行流量測(cè)量的溯源方法,利用該方法對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不同管徑上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,取得了較好的研究結(jié)果,解決了便攜式流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或校準(zhǔn)時(shí)的量值溯源難題。