管道材质及管径对超声波流量计计量精度的影响

超声波流量计主要由流量计表体、超声换能器及其安装部件、信号处理单元和流量计算机组成。换能器利用压电效应发射和接收声波, 通过检测流体对超声波 (或超声脉冲) 的影响来测量流体体积流量。其原理是:传递的声讯号穿过管道内流动的介质时, 其传递速度受介质流动速度的影响, 声讯号在2个传感器之间的传递时间取决于管道内介质的流速, 一个声讯号通过上游的时间要比它通过下游的时间长。这个时间差值与管道内介质的流速成比例。通过测量这个时间差值就可以得到管道内介质的流速, 从而计算出流体的流量。

超声波流量计的优点有: (1) 适用于各种管径流量的测量, 流速和管径越大, 准确度越高; (2) 测量范围 (量程比) 宽, 一般为1∶50; (3) 无压力损失, 可大大降低长输管道增压的费用; (4) 无可动部件, 可双向测量。

但是超声波流量计也存在其自身不足, 需要输入的参数比较多, 如被校流量计配套管道的材质、外径、壁厚、测量介质类型、介质温度等, 此外, 安装方式、安装位置等都会影响到标准超声波流量计的精度。之前, 已经有相关专业人员研究了传感器安装距离对超声波流量计计量性能的影响和管道内径的不同设置对超声波流量计计量性能的影响。而本文主要根据多年来现场校准的经验以及本单位液体流量标准装置的口径 (DN15~DN250) , 制作了三套材质的管道 (分别为不锈钢、碳钢和PVC, 口径分别为DN15/DN50/DN100/DN150/DN200/DN250) (图1) , 分别标定不同管道材质及不同管径下标准超声波流量计的流量修正系数K, 再把流量修正系数K应用到现场校准试验中, 以提高在线校准的计量精度。

图1 定制的标准管道 (不锈钢材质的已安装在装置上)   下载原图

我们定义流量修正系数K为标准流量qs与超声波流量计显示流量q的比值, 即:

本实验所标定的超声波流量计为0.5级、用于现场校准其他被校流量计的标准超声波流量计, 此超声波流量计含有1对传感器 (即超声波探头) , 测量范围为DN15~DN400。

本实验所采用的装置为0.05%、测量口径为DN15~DN250的静态质量法液体流量标准装置。

(1) 将定做的标准管道安装到装置上。

(2) 打开超声波流量计, 把相关参数 (如管道材质、外径、壁厚、粗糙度、水温等) 设置好, 并将探头根据所得到的安装距离安装在标准管道上。

(3) 启动装置, 检查密封性, 保证不漏后调节流量至所需流量点, 待流量稳定后进行标定。

(4) 由于现场使用时超声波流量计的流量值为显示值, 因此在实验室标定时, 超声波流量计的流量值亦通过读数获得, 设定每点每次标定的时间为60 s, 在标定时间内, 每隔10 s读取一个显示值, 每次可以获得6个数据, 将这6个数据去掉***大和***小值, 剩余4个做平均, 得到该次的超声波流量计流量示值 (q) ij, 而标准流量值 (qs) ij由装置操作软件得到, 从而算出Kij。

每点进行3次标定, 从而得到Ki:

根据超声波流量计的特性, 分别在以下5个点进行标定:5、2、1、0.5以及0.3 m/s, 得到各流量点下的Ki, 从而算出超声波流量计在该管道材质及管径下的流量修正系数K:

流量修正系数K汇总表如表1所示, K折线图如图2所示。

表1 流量修正系数K值    下载原表

图2 流量修正系数K折线图   下载原图

用标准超声波流量计现场校准一台DN100的电磁流量计, 管道材质为碳钢, 超声波流量计显示值为qs=85.33 m3/h, 被校电磁流量计显示值q=86.94 m3/h。

由于此前标准超声波流量计只在DN100的不锈钢管道上进行检定, 没做不同材质的流量修正系数K实验, 则此时K使用的是不锈钢材质的值, 为1.012 3, 标准超声波流量计显示值为q's=qs×K=86.38 m3/h, 则示值误差E'为:

这种情况下应该使用DN100、材质为碳钢的K值, 查上表, 得K=1.0181, 那么标准超声波流量计显示值为q″s=qs×K=86.87 m3/h, 此时示值误差E″为:

(1) 对于现场校准部分未在实验室标定过管径的流量计 (如DN32、DN40、DN65、DN80等) , 可利用实验室标定过的相邻两个管径的流量修正系数K进行插值得到。如现场校准1台DN80, 管道材质为不锈钢的流量计, 可根据DN50和DN100的流量修正系数K80进行现行插值得到:

(2) 标准超声波流量计每年周检时, 需更新以上流量修正系数K汇总表。

我们利用单位现有的液体流量标准装置, 对标准超声波流量计进行了比较全面的标定, 从标定的结果可以看出, 流量修正系数并没有一定的规律可寻。对于未能标定的管径, 可通过线性插值得到其流量修正系数。将标定得到的流量修正系数用于现场校准中, 可提高在线校准的计量精度。