超聲波熱量表測量準確度的影響因素探討

朱民

【摘? 要】為了提高超聲波熱量表的應用質量，要結合其應用過程落實對應的管控工作，對可能影響其準確度的因素予以全面分析。本文從時差法超聲波熱量測量、頻差法熱量測量等方面介紹了超聲波熱量表測量的原理，并著重討論了超聲波熱量表測量準確度的影響因素。

【關鍵詞】超聲波;熱量表測量;影響因素;準確度

超聲波熱量表是目前應用較為廣泛的供熱計量產品，其應用優勢較為突出，但是在實際應用中也會存在測量準確度不足的情況，需要全面分析影響因素以便于優化相關工作。

一、超聲波熱量表測量原理

超聲波熱量表測量過程中，主要是在流量測量的基礎上配合溫度測量，主要是依據流體自身流量參數、供水-回水溫差等予以判定，而超聲波熱量表就是借助超聲波信號在不同介質中順流以及逆流傳播產生的時差完成測量評估。

時差法流量測量原理，時差法在實際應用中是借助超聲波換能器完成相互交替處理過程，實現超聲波的收發，并且，在實際測定過程中，要觀測超聲波在介質中的順流時間、逆流時間，按照時間差完成流體流速的測定分析，配合流速計算流量，這本身就是一種較為間接且高效的處理機制[1]。值得一提的是，時差法流量測量的準確性的決定性因素就是微小時差t的分辨率，也正是因為測量精度受到制約因素較多，因此，其測量精度數值需要進一步提高。

頻差法流量測量原理，主要是借助回波鳴環技術，能在被測量的流體中形成不同傳播方向的鳴環頻率，一般稱為順流鳴環頻率和逆流鳴環頻率。若是流體處于靜止狀態，則順流鳴環頻率=逆流鳴環頻率，若是流體處于流動狀態，則順流鳴環頻率和逆流鳴環頻率之間的頻率差就是判定流體方向和速度的基本依據。與此同時，為了能有效提升低流速狀態下流量測量工作的精準性，要確保測量的頻差數量基數較大，并且配合鎖相倍頻技術，將頻差測量數值合理性擴大n倍，提升整體測量精度。基于此，頻差法流量測量工作的應用范圍較為廣泛。

二、超聲波熱量表測量準確度的影響因素

追溯到上世紀九十年代末，我國開始大范圍實現供暖體制改革方案，并且開始自行研發和生產熱量表，初期還是依靠進口，而在2003年后，我國國產熱量表的質量大幅度提升，相關技術指標也趨于應用穩定狀態，但是，在實際測量過程中，其應用測量精度和測量可靠性還與國外發達國家有一定的差距，影響因素較多，要落實全面分析和評估機制，從而建構更加合理的控制措施。

（一）介質溫度的影響

在超聲波熱量表測量過程中，溫度對其產生影響主要體現在兩個方面，一方面，介質溫度參數的動態變化會造成換能器關鍵技術參數出現異常，這就會對正常的測量過程形成不同程度的作用，尤其是介質溫度達到超聲波換能器用壓電陶瓷安全使用溫度的50%時，就會出現物理性損傷[2]。另一方面，介質溫度的變化會影響聲速的，使得儀表測量的準確性受到影響。值得一提的是，聲波的傳播是擾動形態和能量傳遞的總和，聲波在彈性介質中的傳播速度被稱為聲速，和介質的性能以及形狀無關，也正是因為液體沒有剪切彈性，所以液體一般是傳播縱波，而在進行聲波和溫度關系比較的過程中可知，聲速會隨著溫度呈現出單調上升的趨勢。本文以U型DN20熱量表為研究對象，DN20聲程為0.072m，溫度點1為30℃、對應聲速為1509.17m/s;溫度點2為60℃、對應聲速為1550.99m/s。整體恒定流量為2m3/h，對應流速為1.768m/s[3]。

1.理論分析溫度變化引發的測量準確度偏差

假設在第一溫度點為30℃，順流時間T1=DN20聲程/（聲速-流速）、逆流時間T2=DN20聲程/（聲速+流速），得出順流時間為47.7643s、逆流時間為47.6525s，兩者時間差為111.8ns。

假設在第二溫度點為6℃，順流時間T1=DN20聲程/（聲速-流速）、逆流時間T2=DN20聲程/（聲速+流速），得出順流時間為46.4749s、逆流時間為46.3691s，兩者時間差為105.8ns。

可知溫度變化造成的測量準確度偏差為-5.37%。綜上所述，在流量數值相同的狀態下，介質的溫度出現相應的變化，則測量時間差也會隨之改變，若是操作人員不能結合實際情況及時進行溫度的補償處理，必然會對儀表測量的準確度產生嚴重的影響。所以，要結合流量和溫度的參數關系落實相應的補償機制，依據聲速數值等參數確保流量測量準確性。

（二）速度分布產生的影響

對于超聲波熱量表測量工作而言，其直接檢測到的相關數值是超聲波傳播路徑上的線平均速度，而其配置的熱量測量設備測定的卻是整個管道斷面結構的面平均速度，要想有效獲取相關數值，就要實現兩者的合理性換算[4]。流體在經過管道后，因為固體的壁面本身并沒有設置滑移條件，所以，此時設定的緊貼壁面的流體速度參數為零，管道中間位置的流體基本不會受到影響，呈現出的流速參數最大，也就形成了對應的大速度梯度。而在差異化雷諾數值參數內，斷面上的流速也會呈現出不同的分布狀態。一般而言，雷諾數值較低的層流狀態，流速會呈現出拋物面的結構，結合流體力學原理的相關數值標準能得出，層流最大的流速參數一般是平均流速的2倍左右，借助平均速度就能測定相關數值，也就是說，層流狀態下，測量數值是面平均數值的4/3。

首先，流速增大狀態下，水流流體處于湍流狀態，斷面的流速分布情況會和雷諾數變化形成呼應關系，流速大小的數值也會趨于平均數，常溫狀態下能實現修正。

其次，若是被測量的流體本社處于層流狀態和湍流狀態之間的過渡態，流動狀態就會不穩定，依據超聲波熱量表分析，對口徑供熱管道進行管理，誤差來自于中心線上限流動不對稱等方面。

最后，相關計量分析都是在理想安裝狀態下進行系數k的修正，而若是在非理想狀態下，彎管、水泵、變管徑結構附近基表內的流動參數就會更加復雜，無法單一化依靠流量系數k完成修正計算。尤其是在含有雜質的水流處理方面，流速的不均勻性特征更加突出，也就會產生較大的誤差問題[5]。

（三）流動擾動產生的影響

為了保證超聲波熱量表測量工作準確性得以優化，也要對實際設備的管理工作予以關注，管道內的彎門、閥門、變管徑等部件也會對流體的流態產生一定的擾動作用，一般而言，都是依照旋渦、不對稱流等方式描述擾動后流體的基礎流態，分析對超聲波熱量表流量計量工作產生的影響。

在測量過程中要確保管前和管后加裝固定長度的直管段，從而有效消除對應的影響作用，匹配多聲道超聲波流量計實現聲道數量的優化和聲道布置的升級，一定程度上減少弱流體擾動對后續測量工作產生的影響。一方面，彎管距離超聲波熱量表較近狀態下，若是不能滿足表前和表后直管段長度的標準要求，彎管會對后續的直管段以及熱量表內的流動造成相應的影響。最關鍵的是，彎道內側速度升高，使得外側的速度相對降低，就會在截面位置出現二次流動狀態，此時，會形成強旋渦（圖1）。另一方面，流體進入到直管段內，管道自然就會在內側位置形成低流速處理區域，然后形成自內向外流速逐漸增大的趨勢。若是直管段長度不足，彎管也會使得流體速度在改變后不能及時恢復，此時，必然會對流量系數k產生影響，造成超聲波熱量表測量的誤差問題。

（四）檢測延時造成的影響

在超聲波熱量表測量工序中，換能器信號檢測會造成一定程度上的延時問題，也會對準確度產生影響，使得檢測結果出現誤差。究其原因，主要是換能器拖尾問題、閾值電壓設置不合理問題、噪聲干擾問題等。

主要是因為超聲波換能器若是在工作狀態下受到電脈沖激勵作用，此時設備就會出現機械振動問題，若是激勵電脈沖停止，則晶體還不能發生恢復到靜止狀態，會存在振動逐漸放緩的趨勢，一般是在震蕩衰減后靜止，此時，就是換能器拖尾問題，其本身和換能器自身發射功率以及傳輸超聲波信號介質相關聯，較為常見的拖尾時間在1ms到2.5ms之間。正是因為接收換能器無法及時對拖尾信號和接收信號予以分析處理，甚至會在工況狀態下將拖尾信號誤認定為回波信號，使得誤差問題較為嚴重，制約超聲波熱量表測量工作的準確性處理效果。

另外，超聲波遠距離傳播過程中，拖尾的影響并不是較大，所以一般會忽略不計，而若是在較短距離內，接收信號就會受到干擾作用，此時必然會對測量結果的準確度產生影響。所以，在處理拖尾問題方面，一般會選取高精度時間測量芯片，有效提升對應工作的合理性和規范性，維持綜合應用管理的效果。并且優化相關控制軟件和硬件，或者是選擇“盲區”較短的超聲波換能器，以保證能減少拖尾問題產生的影響。

除此之外，壓電轉換慣性遲滯也是較為常見的問題，在換能器檢測到對應接收信號參數后，結合壓電效應就能將脈沖信號直接轉變為電信號，而對應的壓電換能器具有其固有屬性，必然會造成壓電轉換遲滯的現象，制約整體超聲波熱量表測量結果的準確性。

（五）雜質產生的影響

對我國采暖工作進行全面調研分析后可知，采暖水質的潔凈度一般都不高，雜質較多，這就會對超聲波信號的強度參數以及傳輸質量產生影響，甚至雜質嚴重的環境下會出現信號中斷等問題。與此同時，雜質的殘留會造成供熱熱水正常流動受限，使得熱量表出現壓力不匹配的問題，壓力損失也會對測量精度產生影響。之所以會產生雜質，主要是因為氧化銹蝕作用、末端化學物質形成水垢、熱量表運行偏小時無法實現水流沖擊等，使得超聲波在雜質水流中出現衰減、k值變化以及雜質沉淀等問題。

結束語：

總而言之，雜質、介質、流速、流動擾動、檢測延時等影響超聲波熱量表測量準確度的主要因素，在明確不同因素對產生的影響后，就要針對具體問題落實相關處理方案，結合應用環境落實更加合理高效的控制方案。

參考文獻：

[1]李世光，吳嬈，高正中，等. 基于溫差發電的改進W型反射式超聲波熱量表設計[J]. 現代電子技術，2016，39（16）：163-166，170.

[2]楊曉，胡永濤，張智先. 基于ZigBee的超聲波熱量表設計[J]. 儀表技術與傳感器，2019（8）：44-47.

[3]周泉. 基于STM32的高精度超聲波熱量表設計[J]. 現代制造技術與裝備，2020，56（8）：70-71.

[4]田海軍，劉煒明，劉煒正，等. TDC-GP22在高精度超聲波熱量表中的應用[J]. 儀表技術與傳感器，2017（4）：34-37.

[5]鄺衛華，潘旭楓，劉華鑫，等. 三款不同結構超聲波熱量表的基表性能對比研究[J]. 機床與液壓，2016，44（10）：107-109，115.