超聲流量計在液體流量儀表在線校準中的應用

陳現

摘 要：為了保證液體流量儀表工作的準確性，我們通常需要定期校準儀表。在線校準是當前運用比較廣泛的一種校準方法，而將超聲流量計應用于液體流量計在線校準中能顯著提高校準結果的精確度。

關鍵詞：超聲流量計；液體流量儀表；在線校準；傳感器

中圖分類號：TH814.92 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.120

液體流量儀表具有多種多樣的用途，其在節約企業成本、降低生產能耗等方面發揮著重要作用。由于一些液體流量儀表的體積大、結構復雜，拆卸工作往往比較復雜，而在線校準可以避免拆卸儀表系統這一環節。因此，目前大多數企業在校準液體流量儀表時都采用這種方法，同時還將超聲流量計運用到校準過程中，大大提高了校準工作的效率和準確性。

1 超聲流量計的工作原理

從當前來看，在液體流量計校準中，傳統的離線校準方法已不能滿足檢測行業發展的需求，在線校準方法應運而生。在線校準在校準結果的準確性方面具有明顯的優勢。在液體流量計在線校準過程中，通常會用到超聲流量計，其主要工作原理是通過檢測不同流速的液體所產生的超聲波信號，確定其流量值。將超聲波流量計運用到流量儀表在線校準中可采取多種多樣的方法，常用的在線校準方法主要有多普勒法、傳播速度差法等。超聲波流量計在液體流量儀表在線校準中主要采用的是傳播速度差法。該方法利用測量超聲波逆流和脈沖所傳播的時速差別來確定液體的流速，由于超聲波信號傳遞所受的干擾較小，因此這種方法具有較高的準確度。通常來講，在介質靜止的狀態下，聲波在液體中的實際傳播速度由流體軸向平均速度在聲波傳遞方向上的分量和聲波的傳播速度組成。在液體流量儀表在線校準的過程中，應考慮到逆流傳播時間與順流傳播時間之間的關系，并靈活運用液體流速的計算公式。

超聲波在靜止液態中的傳播速度與其在動態液體中的傳播速度有相當大的不同，超聲波本身的傳播速度與液態流體的流動速度有很大關系，而超聲波流量計就是利用這個原理來工作

的，如圖1所示。流體軸向平均流速可表示為：

式（1）中：Vm為流體軸向平均流速； 為聲道角，L為聲道長度；tdown為流體順流中超聲波傳播時間；tup為流體逆流中超聲波的傳播時間。

2 影響超聲波測量結果的因素

在利用超聲流量計在線校準液體流量儀表時，應考慮到超聲波測量結果的影響因素。影響超聲波測量結果的因素有很多，主要有以下三個方面。

2.1 耦合劑

在利用超聲流量計在線校準液體流量儀表時，通常需要在換能器表面涂抹一層耦合劑。涂抹耦合劑是為了方便測量，但如果耦合劑的涂抹不符合要求，就會對測量結果的準確度造成影響。有些測量人員測出的數據偏大，這在很大程度上就是由于涂抹的耦合劑太厚造成的。

2.2 聲速

聲速是影響超聲測量結果的重要因素之一。聲速的差異使得超聲波在測量過程中的往返時間不同，這就會導致測厚結果的差異。聲速的不同主要是由周圍溫度差異、材質不均勻、應力不同等造成的。

2.3 測厚探頭與鏡片表面不垂直

在利用超聲流量計在線校準液體流量儀表時，要注意測厚探頭的設置。按照操作的規范要求，測厚探頭應盡量與鏡片表面保持垂直，然而，一些測量人員由于缺乏液體流量計在線校準方面的基本知識，往往會忽視對測厚探頭的設置，造成測厚探頭與鏡面表面不垂直，最終影響到測量結果的準確性。

3 應用超聲流量計時應注意的問題

3.1 選點的問題

在利用超聲流量計在線校準液體流量儀表時，應注意選點的問題。一旦選點不符合要求，便會導致管道出現擾動流和氣泡；同時，確定安裝的距離也是很重要的環節。一般情況下，安裝距離應根據上下游位置的不同來確定——在上游，應選擇大于10倍直管徑的位置；在下游，應選擇5倍直管徑以內沒有彎頭、閥門等材質均勻的直管段。此外，安裝的地點應盡量避開高壓電、變頻器等主要干擾物，且直管段的長度應盡量加長，這樣更有利于消除各種不利因素。

3.2 管段選取的問題

在選擇測量管道的過程中，應保證選取的管段內部流體充足。管段的材質應均勻分布，有利于超聲波信號的傳輸。此外，管段內液體的流向也對校準結果具有直接影響，例如在垂直管段，液體的流向必須朝上。

3.3 傳感器的安裝

在在線校準工作中，傳感器的安裝對校準工作的質量有很大的影響，因此，校準人員必須重視傳感器的安裝工作。對于傳感器的位置，應選擇在管段軸面的水平方向上，并與軸面水平方向呈±45°角。在安裝的過程中，應避免安裝在管段的正下方或者正上方，這樣才能避免上部氣泡或下部沉淀等因素對傳感器的正常測量造成影響。如果在安裝的過程中受條件限制不能水平安裝，則應當在滿足管段內無氣泡的條件下，使傳感器的安裝與水平方向垂直或具有一定的傾角。

3.4 管內清潔狀況

校準人員應注意管內的清潔狀況，盡量選擇清潔、無結垢的管道來安裝測量儀器。如果不能滿足要求，則應當將結垢作為內襯來提高測量的精度，并在測量之前打磨管壁，然后用測厚儀測量壁厚。如果出現的數據偏差較大，則應當另選打磨點。

4 超聲流量計的應用方法

4.1 技術要求

液體流量儀表在線校準工作的技術要求比較高，其技術要求主要體現在以下3個方面：①在線校準過程中運用的超聲流量計應當符合國家相關的質量標準，并具備質量鑒定單位出具的證書。超聲流量計往往都具有一定的誤差，但是基本誤差應

不超過±0.5%. 目前，大多數企業運用的超聲流量計都是便攜式超聲流量計。該流量計的安裝必須符合國家相關的操作規范。②在線校準時，應考慮到周圍環境的溫度、濕度、磁場和外界振動等條件，確保將開展液體流量儀表在線校準工作的不利影響降到最低，同時還必須考慮到超聲波傳輸介質的因素，保證介質溫度等參數符合校準工作的要求。③應檢驗在線校準工作中需要用到的輔助儀器設備，例如測厚儀、卷尺、秒表等，一旦發現有不符合質量標準的輔助設備，應及時更換。楔式流量計流量測量如圖2所示。

1—法蘭；2—高壓取壓口；3—楔形件；4—低壓取壓口；5—管道；6—變送器

圖2 楔式流量計流量測量示意圖

4.2 測量流程及方法

在利用超聲流量計在線校準液體流量儀表的過程中，應注意測量流程的安排。首先，應測量管徑，管道的外直徑可以通過測量若干次外直徑來計算出平均值，也可以通過測量管道周長來推算出管徑。然后，應測量壁厚和安裝標準表。在測量壁厚時，應利用測厚儀逐一測量不同點的管道壁厚，然后計算出平均值。在安裝標準表的過程中，首先必須確定安裝的距離，安裝人員應根據事先測得的管道參數計算得出最適當的安裝距離。此外，還應當做好管壁的清理工作，保證管壁能與換能器的表面貼合。最后，應進行零點檢查，在可停流的管道上測量流量計的零點流量。如果發現有不符合標準的情況，則應采用動態零點檢驗的方法解決。在測量工作中，要嚴格按照相關的測量程序，保證測量的準確性。

5 結束語

總而言之，超聲流量計在液體流量儀表在線校準中的應用大大提高了校準結果的準確性，但是校準的過程仍然受到許多因素的影響，需要注意的問題也很多，這就要求校準人員不斷完善自身技術，提高校準工作的質量。

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〔編輯：王霞〕