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   1 前言

目前，工業(yè)領(lǐng)域面臨著能源過度的問題，節(jié)能減排已成為大型生產(chǎn)企業(yè)急需解決的課題。流量計(jì)作為生產(chǎn)線的重要計(jì)量器具，不 僅是直接反映生產(chǎn)能耗的基礎(chǔ)設(shè)備，也是控制能耗的首要環(huán)節(jié)。由于生產(chǎn)計(jì)劃，許多企業(yè)的流量計(jì)無法被卸下而需要在線校準(zhǔn)。超聲波流量計(jì)作為一種精度高、非接 觸式、易攜帶安裝的計(jì)量器具，廣泛被應(yīng)用于流量計(jì)的在線校準(zhǔn)。因此，本文介紹如何應(yīng)用超聲波流量計(jì)在線校準(zhǔn)浮子流量計(jì)并對其過程進(jìn)行測量不確定度的評定。

2 超聲波流量計(jì)工作原理

超聲波在流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。沿流體的順流方向，超聲波的傳播速度增大；逆流方向的傳播速度減小。同一超聲波沿流體不同流向產(chǎn)生了時(shí) 間差，該差值與流體的流速存在一定的關(guān)系。假設(shè)直段管道內(nèi)有2個(gè)超聲波傳感器，傳感器1位于流體上游，傳感器2位于流體下游，則傳感器之間存在如下關(guān)系：

    （1）

    （2）

式中：L—兩個(gè)超聲波傳感器之間的直線距離；

T₁₂—沿流體逆向，超聲波從傳感器1傳播至傳感器2所用的時(shí)間；

T₂₁—沿流體順向，超聲波從傳感器2傳播至傳感器1所用的時(shí)間；

C—超聲波在靜止流體中的傳播速度；

x—L在管道中沿管道軸向的分量。

根據(jù)上式可知：當(dāng)傳感器的位置和管道幾何參數(shù)為已知量，則流體的流速正比于時(shí)間項(xiàng)。

3 浮子流量計(jì)在線測量

3.1 校準(zhǔn)環(huán)境與安裝條件

超聲波流量計(jì)是根據(jù)超聲波在管道內(nèi)傳播時(shí)間差反映流體流速的，所以被測段的流體狀態(tài)對測量結(jié)果影響很大。測量時(shí)，應(yīng)避免被測段的流體處于湍流狀態(tài)。一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）計(jì)量現(xiàn)場應(yīng)無明顯振動(dòng)，周圍無電磁干擾。

（2）探測器安裝位置的上游直管段長度至少為管徑的10倍以上，下游的直管段長度至少為管徑的5倍以上；上游30倍管徑的沿程內(nèi)應(yīng)沒有擾流因素，比如泵、閥引起的流速分布不均勻。

（3）管道始終充滿流體，流體內(nèi)不能含有大量的氣泡或異物。

（4）對于水瓶管道，為了避免滯留空氣或沉積物影響測量結(jié)果，在水平面的±45°內(nèi)安裝探測器。避免將探測器安裝在管道變形、凸起或焊接部分。

（5）如管道表面有涂層、腐蝕班或是不平整，用油漆稀釋劑和砂紙清除。

（6）查看被檢的浮子流量計(jì)是否有泄漏、振動(dòng)的情況，刻度是否清晰，便于觀察。

（7）對于1.0和1.5級的浮子流量計(jì)，安裝傾斜角度不應(yīng)超過2°；2.5級及以下的浮子流量計(jì)不應(yīng)超過5°。

3.2 探測法的選擇

根據(jù)探測器的分布位置，探測法分為V法和Z法。V法：兩探測器均處于管道外同側(cè)，探測器之間連線與管道軸線平行。Z法：兩探測器處于管道外兩側(cè)，兩探測器之間連線與管道軸線交叉。在下列情況下使用Z法：

（1）需要節(jié)省安裝空間（Z法的安裝空間約為V法的一半）。

（2）需要測量污水等渾濁的流體。

（3）管道內(nèi)有砂漿襯里或是較厚水垢。

3.3 測量步驟

（1）確認(rèn)管道的內(nèi)、外徑；對于非標(biāo)準(zhǔn)的管道，用游標(biāo)卡尺和測厚儀等工具測量管道的外徑與壁厚。

（2）在儀表中輸入相關(guān)參數(shù)：管道內(nèi)、外徑；管道材料；流體介質(zhì)；探測法類型等。

（3）待儀表調(diào)零后確定探測器安裝距離。

（4）在探測器表面涂上適量硅脂，根據(jù)“安裝條件”安裝探測器，查看超聲波信號接受是否正常。

（5）待被檢流量計(jì)與超聲波流量計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取兩儀表的流量值，計(jì)算示值誤差。

3.4 注意事項(xiàng)

（1）當(dāng)超聲波流量計(jì)信號異常或是無信號時(shí)，查看管道表面是否有涂層、探測器是否緊貼管道表面。在排除上述問題但仍信號異常的情況下，查看現(xiàn)場周圍是否有電磁干擾，比如：大功率水泵、變頻器、變壓器等。

（2）當(dāng)測量值與被檢示值存在明顯偏差時(shí)，查看探測器安裝位置是否合理。在滿足安裝條件的情況下，盡可能對安裝位置做調(diào)整：同一條管道布置有高低 時(shí)，探測器安裝在較低的管路上；探測器盡量不要靠近管路的終端；盡量選擇流體向上流動(dòng)的管路安裝探測器；管路內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，更換管路。

（3）當(dāng)測量值存在明顯波動(dòng)時(shí)，適當(dāng)設(shè)置阻尼參數(shù)，延長響應(yīng)時(shí)間。

（4）當(dāng)流量發(fā)生變化但測量值保持不變時(shí)，檢查管道規(guī)格是否正確；探測器是否安裝在焊接部分；探測器安裝尺寸是否正確；探測器表面是否涂有足夠的潤滑脂；嘗試更換探測法類型；避免使用加長電纜。

4 不確定度評定實(shí)例

本文利用超聲波流量計(jì)在線校準(zhǔn)浮子流量計(jì)，流量范圍：（16～160）L/min，流體介質(zhì)為水。

4.1 測量模型

利用超聲波流量計(jì)在線計(jì)量浮子流量計(jì)，相當(dāng)于采用標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行計(jì)量。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)串聯(lián)在現(xiàn)有的流量管道上，刻度狀態(tài)相同，流量無需經(jīng)過修正。示值誤差根據(jù)下式：

    （3）

式中：q_m—被檢浮子流量計(jì)的流量顯示值，L/min；

q_v—標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)的流量實(shí)際值，L/min；

q_max—被校流量計(jì)的上限刻度值，L/min。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

靈敏系數(shù)：c₁=1/q_max；c₂=-1/q_max

4.2 不確定度的來源：

（1）輸入量qm的不確定度

測量的重復(fù)性引入的不確定度：u（q_m）