超聲波流量計的特點及誤差分析

馬彪

摘 要：超聲波流量計的應用領域日益擴大，已經成為生活中的重要部分。其安裝維護方便快捷，同時還具有較長的生命周期。超聲波流量計對于難測介質和大口徑管道的流量計量非常的適用，具有較高的方便性和可靠性。造成測量誤差的因素包括安裝誤差、流量范圍、管徑誤差、壓力變送器、探頭污物等。雖然超聲波流量計目前還有不足之處，但是科技的進步賦予了超聲波流量計以綜合性優勢的更為廣闊的發展空間。該文主要分析超聲波流量計的特點和整個測量過程中產生誤差的因素。

關鍵詞：超聲波 流量計 誤差分析 管徑

中圖分類號：TH814 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0062-01

在現代社會工業生產快速發展的推動下，流量測量的應用領域日益擴大，已經成為生活中的重要部分。流量的測量方法有多種，超聲波流量計以其具有非接觸式測量的特征已經被廣泛認可和應用。目前，在國內外對超聲波流量計的研究已經取得了很大的進展，通過超聲波在流體中的傳播速度來測量流體的流速來計算流量，一直得到了研究者們的關注。尤其是計算機的使用，使數據處理更為方便、準確，并且具備了自檢功能，這樣能夠自動修正流場分布變化導致的誤差。本文主要分析超聲波流量計的特點和整個測量過程中產生誤差的因素。

1 超聲波流量計的特點

超聲波流量計的使用領域日益增多，取代了傳統的差壓流量計、電磁流量計等，因為其具有突出的特點。

1.1 安裝維修方便

超聲波流量計與其它流量計相比，在安裝的維護過程中，無需在管道上打孔或者將流量切斷，安裝比較方便。特別是對于一些大口徑的計量系統而言，安裝的優點就顯得更加突出，能夠節省很多的人力物力。

1.2 測量管徑大

檢測件內沒有任務阻礙物，沒有可動零部件，不會對流體造成堵塞，適用于難測介質及大管徑測量，測量管徑可高達10 m，遠遠的超過了傳統流量計的管徑。此外，超聲波流量計管徑的大小不會影響到其價格，傳統的的流量計會因管徑的大小而有所不同。

1.3 測量可靠性高

無論是外夾式安裝還是濕工安裝，超聲波流量計都不會對流場形成影響，無需移動部件，不存在壓力損失。此外，傳感器以計算機為中心，利用鎖相環路或者是計時法，有效的增強了信號的穩定性，排除了噪音干擾和電路故障的影響，具有較高的測量可靠性。

1.4 外界影響因素小

在使用超聲波流量計的測量過程中，與其它流量計有所不同，其不會受到流體的物理性能或參數的影響，輸出與流量之間是一種優質的線性關系，所以測量的范圍比較大。

1.5 自動控制系統

計算機可以對流量計的工作進行自動控制，測量出的結果能夠自動顯示并將其打印。此外，還具備標準的通用接口，輸出標準直流信號，所以能夠與計算機監控系統進行聯網，實施動態控制。

1.6 超聲波流量計的缺點

傳感器的安裝對計量的準確性造成直接的干擾，所以整個安裝過程必須做到嚴謹；準確性與電磁流量計相比有所不足。

1.7 不同超聲波流量計的特點

超聲波流量計的測量方法有多種，包括傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關法等。不同的方法有不同的特點，下面是超聲波流量計測量方法特點的比較。

（1）傳播速度差法：利用測量超聲波脈沖和逆流所傳報的時速差別來提供液體的速度。其具有較高的精準度，非常適合比較清潔的流體。

（2）多普勒法：對相比均勻度較差的流體的散射體所散射的超聲波多普勒頻進行測量，從而反應出流體的流量。多普勒法比較適用于含有懸浮顆粒、氣泡等測量相對困難的流體測量。

（3）波束偏移法：通過測量流體中傳播方向隨流體流速轉變的超聲波束而出現的偏移，來確定流速。其在流體流速比較弱時不具備靈敏度，因此，適用范圍很小。

（4）噪聲法：測量液體所產生的噪聲和速度。其使用方法比較簡單，而且設備的成本較低，不過其不具備較好的準確度。

（5）相關法：通過一些相關的技術進行測量。此方法具有較高的精準度，適用范圍比較廣泛，不過通常線路較為復雜，且成本較高。

2 超聲波流量計的誤差分析

2.1 安裝誤差

超聲波流量計傳感器的安裝誤差會對測量結果造成很大程度的影響。兩個傳感器之間的距離都有明確的規定，安裝過程中如果沒有按照規定的距離操作，會造成嚴重影響。流量計經過國家水大流量計量站校準，準確度為1.5級，管徑內徑為1.2 m、壁厚為10 mm，要求進行測試。整個測量過程中的流量穩定，其余測試條件不變，只將兩個傳感器的距離進行改變，經過計算，當實際距離比要求短50 mm時，造成的誤差為-8.5%；當實際距離比要求長50 mm時，誤差為10.6%。

2.2 管徑誤差

管道內徑的誤差也會造成測量結果不準確，1%的內徑誤差所造成的測量誤差為2%，約為管徑誤差的2倍。水管內徑為1.2 m，整個測量過程中的流量穩定，其余測試條件不變，當內徑的相對誤差為-3.3%時，所造成的流量相對誤差為-5.5%。

2.3 管道壁厚誤差

管道壁厚誤差也是導致測量結果不準確的因素之一，不過其只是會影響到夾裝探頭。當管徑為0.8 m，壁厚為10 mm時，整個測量過程中的流量穩定，其余測試條件不變，當壁厚誤差計算為20 mm時，流量相對誤差為-1.3%；當壁厚計算為30 mm時，流量相對誤差為-2.8%。不過壁厚的誤差很難達到100%，因此可以忽略不計。

2.4 超聲換能器表面污物

超聲換能器表面的堆積物會對測量結果造成很大的影響。這些污物會引起裝置無法經過流體傳送超聲波脈沖，從而造成超聲波路徑“脫落”。

2.5 流量計附件壓力變送器

壓力變送器主要是檢測氣體的標況壓力，壓力測量值直接影響著標況測量計算，屬于工況壓力，是造成誤差的一個重要因素。

3 結語

該文分析了超聲波流量計的特點和整個測量過程中產生誤差的因素。超聲波流量計是流量計量，尤其是對于難測介質和大口徑管道的流量計量非常的適用，具有較高的方便性和可靠性。造成測量誤差的因素包括安裝誤差、流量范圍、管徑誤差、壓力變送器、探頭污物等。管壁厚度的誤差所形成的影響不大，可以忽略不計。

參考文獻

[1] 陳聰.超聲波流量計的特點和應用[J]. 醫藥工程設計，2010（1）：48-50.

[2] 金松日.一種小管徑超聲波流量計的設計[D].大連理工大學，2013.endprint