便攜式超聲波流量計在管線測量中的運用

戴鐵兵

摘 要：本文主要分析了便攜式超聲波流量計在管線測量過程中的應用，發現了對測量結果可能產生影響的幾點因素，并提出了相應的測量方法。同時也對時差法超聲波流量計不確定度進行了分析。

關鍵詞：便攜式;超聲波流量計;時差法;不確定度

1 引言

現階段，便攜式超聲波流量計使用面比較廣泛，比如水務部門地下水資源計量儀表在線監測、環保部門計量儀表在線監測、供水部門計量儀表在線監測、熱力部門計量儀表在線監測等。本文主要分析了便攜式超聲波流量計在使用過程中可能會遇到的影響因素并給出了一些建議，同時也對測量過程的不確定度進行了分析，為超聲波流量計的準確使用提供了參考。

2 對測量結果有影響的主要因素

2.1 溫度

便攜式的超聲波流量計的探頭材質因價格高低而不同，生產廠家會根據不同用戶的個性需求選擇不同的材質進行制作。另外，隨著介質溫度不斷的升高，介質的性質和性能也可能會發生一些變化，生產者會結合實際情況選用一些修正方法來減少因溫度變化造成精確度的影響。因此，操作使用者在實際的測量過程中需要嚴格遵循流量計探頭的適用范圍，避免因不在適用范圍內測量而造成的測量誤差或無法測量情況出現。另外，也存在一些超聲波流量計設置有溫度范圍的選項程序，針對不同溫度選擇合適的溫度范圍。但是，這種選擇程序也可能會對測量有一定程度的影響，因此操作者在使用的過程中要根據操作手冊的要求進行來保證測量結果的精確性。溫度過高可能會在短時間內造成耦合劑濃度降低失去測量作用，從而會出現測量結果誤差大、無法測量的情況。

2.2 直徑

超聲波流量計的工作原理是：超聲波流量計測量出來的結果是被測量管道內的平均流速，流量是通過測得的流速與面積經過計算得出的，因此，精確測量出管道的面積可以有效的減少測量誤差。管道面積的測量時通過直徑測量計算得出的，首先需要使用超聲波測厚儀測量管道的厚度，接下來計算出管道的直徑從而計算出管道面積。然而，在實際的測量過程中這種方法可能就會有一定的誤差，因為我們現在測量的管道大多數都使用了一段時間，管道內部肯定避免不了有結垢的地方，甚至一些地方的結垢厚度會超過10mm。但是，這些結垢的厚度暫時還沒有能夠在管道外部就可以精準測量的方法和儀器。所以測量數據在和在線流量計測量的數據進行對比之后就會發現在線流量計顯示的流量要比超聲波測量計顯示的流量要小，這是因為流量計是新安裝的，內部沒有結垢。

因此，在實際測量的過程中要根據實際情況盡可能的得到管道厚度的精確值。管道如果是最近安裝的，就不需要考慮管道會出現結垢的情況，可以直接將測量結果作為直徑應用。如果管道安裝了一段時間，就需要考慮結垢的厚度。有以下幾種方法可以提供參考：一是如果工作管道可以停止，可以對管道進行拆開然后測量結垢的厚度;二是對于無法停止拆卸的管道可以找一條和這個管道相同的可拆卸的管道進行結垢厚度測量;三是可以先估量一個結垢的厚度進行計算，在之后可以拆卸管道的時候在進行測量，對結果進行修正;四是對于口徑大、管道長的企業，可以設置一段專門用來測量的管道作為實驗管線計算流量面積。

2.3 電磁場影響

在實際測量的過程中可能會出現不管探頭位置如何調整，信號強度很弱或沒有信號，無法對流量進行測量。這種情況下，就需要對管道周圍的環境進行檢查，確認是否存在強磁場的影響。比如，在管道附近是否安裝有大功率的變壓器、水泵、啟動器等大型電器設備，與管道并排鋪設的是否有電纜、電線排等。根據實際經驗，在距離測量點4m左右的高壓電線就會對測量的數據造成嚴重的影響。在現實生活中，并不是所有人對超聲波流量計的工作原理都很熟悉，因此會有不少流量計被安裝在電磁場影響較大的位置，如泵房、高壓線附近。這種環境下，這些大型的電器設備就會產生強磁場，這些磁場就會導致超聲波流量計信號接收功能無法正常使用，造成無法測量的情況。

2.4 測量位置的選擇

測量位置的選擇有相關的規定，速度式的儀表需要安裝在直管段，并且直管段的長度最少為管道直徑的15倍，安裝點需要控制在直管段上游10倍管徑處、下游5倍管徑處?，F場檢測過程中也要盡可能的去選擇滿足這個規定的檢測點，但是實際情況是很多檢測點都無法滿足這些要求，盡管直管段達到要求了也不一定是理想的測量點。根據測量經驗，需要考慮一下幾點：根據實際情況盡量滿足測量的規程規定;如果找不到滿足直管段要求的檢測點，應該選擇測量點上游管道對流動影響很小的位置（盡可能避開彎頭這些流量、壓力損失比較大的位置）;在同一條管道中選擇位置相對低的地方進行測量，這樣流體就會盡可能的充滿管道;選擇水平管道的時候不要在管道的上方進行測量，因為可能會存在管道未充滿，上方存在氣體的情況;對垂直設立的管道進行測量時要選擇流體流向向上流動的管道，這種管道正常情況下會充滿流體。

2.5 超聲波流量計探頭的安裝方式

超聲波流量計探頭的安裝方式一般有兩種，V法安裝和Z法安裝。V法安裝適用于管徑小于200mm的管道;Z法安裝適用于管徑大于200mm的管道。V法安裝的要求是：首先要確定一個點，然后根據安裝距離在水平位置定位出另一個點;Z法安裝的要求是：首先確定一個點，然后根據安裝距離在水平位置定位出另一個點，然后再測出此點在管道另一側的對稱點。

3 時差法超聲波流量計不確定度分析

使用超聲波流量計進行測量可以分成兩種情況，一種是利用超聲波流量計對管道上安裝的流量儀表進行測量，比較兩者的數值，從而檢測流量計是否符合有關標準;另一種就是對管道上沒有安裝流量儀表的管道進行測量，這時超聲波流量計顯示的數值就是管道中的實際流量。這兩種情況下測量結果用途不同，評定方式也不完全一致。例如，第一種情況的測量的目的在于調整流量儀到合格的范圍;第二種情況是為了測出管道的實時流量。

第一種情況的不確定度分析：在管道上安裝有流量儀表的情況下，利用超聲波流量計對管道進行多次的測量然后將測量結果和流量儀表顯示的數值進行對標，最后確定流量儀表的誤差。

根據一般相對誤差的表達式可以得出：

其中δ表示的是流量儀表的相對誤差（%），q安裝流量儀的瞬時平均值（m3/h），q0是超聲波流量計測得的瞬時流量平均值（m3/h）。

實際測得的流量值具有不穩定性，不管是超聲波流量計還是已安裝的流量儀都難以獲取到瞬時的流量值，所以需要經過多次測量取測量的平均值，即從某一時刻開始同時讀取兩個流量計的數值，連續讀取十到二十次，取平均值。這時數學表達式就是：

其中δr是被測流量計的測量重復性（%），δ0是超聲波流量計的測量重復性（%）。

不確定度就是：

第二種情況的不確定度分析：在管道上沒有安裝流量儀的情況下，流量大多相對穩定，我們給出的是在測量條件下的瞬時流量，即經過多次測量得到的平均流量。

其中，q為平均瞬時流量值（m3/h），qi是第i次的瞬時流量值（m3/h）。這時的測量結果不確定度和超聲波流量計的準確度和測量的重復性有關，不確定度為：

4 結語

本文通過分析和討論，總結出了一些超聲波流量計的測量方法和技巧，同時也給出了修正測量誤差的參考標準，為超聲波流量計在實際的使用過程中可以充分發揮作用提供了參考。

參考文獻：

[1]李廣峰，高勇.超聲波流量計的高精度測量技術[J].儀器儀表學報，200l（12）：645.

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