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DCT7088便携式超声波流量计测量误差分析 |
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作者：陈海静 魏晓林 |
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摘 要： 本文主要对白银公司动力厂购进的DCT7088型便携式超声波流量计在测试不同管径管线流量过程中，发现被测管线流量与管线上安装的计量表之间存在较大测量差值。针对测量误差认真分析误差产生来源，并在测试过程中如何减少测试误差做一简单的分析。
关键字： 超声波流量计 测量误差 误差修正
1 引言
白银公司动力厂供水管线在白银市区内分布点多面广，供水管线的管径从DN25mm到DN900mm大小不一，共1000多条。随着供水管线供水使用年限长，埋在地下老化腐蚀严重，好多管线出现漏口，但因埋在地下又不能及时发现漏口具体位置，致使我厂新水无偿流失量逐年增大。同时随着公司挖潜增效、节能减排工作的开展及对各产品能耗指标考核力度的加大，各厂矿越来越关注日用水量的计量。为避免计量纠纷、查找供水管线漏口，我厂进了1台DCT7088便携式超声波流量计，为的是更好的对有疑议供水管线的量进行核查。
2 工作原理
DCT7088超声波流量计采用了先进的微处理数字技术，用于工业环境下测量不含高浓度悬浮粒子或气体的均质液体的流量。它采用时差方式的测量原理，利用传感器发出的超声波在流动着的流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，在同一传播距离就有不同的传输时间，根据传输时间之差与被测流体流速之间的关系测出流体的流速（图1）。
图1 典型时差原理图
流体的流速在管内的不同位置是不同的，其管中央的流速要比靠近管壁的流速快。流体在管道中的流速分布可以用流速截面分布图表示（见图2）。通过对流量计的设置，并考虑流速的截面分布影响，从而计算出平均流速，再根据管道的截面积得出流体的体积流量。
图2 流速截面分布图
流速与传感器传输时间差的关系式是：
式中：V是液体沿管道中心线的速度；M为声速；ΔT为顺逆流传播时间差；θ为声路角；M为传感器安装距离；Tup为顺流传播时间；Tdown为逆流传播时间。
瞬时流量公式：Q=KSV
式中：Q为瞬时流量；K为仪表系数，在仪表标定过程产生，是个定值；S为管线截面积；V为液体沿管道中心线的速度。
3 实际使用中测量结果存在的问题
自DCT7088便携式超声波流量计购进后，为尽快掌握测量性能和功能，我们对我厂不同管径、不同材质的输水管线进行了一一测试，在测试过程中发现测量结果存在以下问题。
（1）测试同一管线流量，超声波流量计测量值与在线仪表的测量值之间存在较大差异。
（2）超声波流量计测量值波动较大。
（3）同一管线不同位置测量，各位置的相对误差大于±10%。
（4）DN300mm以下管线测量值误差大于DN300mm以上管线测量值误差。
4 测量误差的产生及分析
我们针对便携式超声波流量计在测试中存在的较大误差，经不断咨询厂家及查找资料，逐步掌握了超声波流量计在测量过程误差产生的主要因素，主要有以下几方面。
（1）不能准确的输入管道参数。便携式超声波流量计探头在管道外部安装，它直接测量的是管道内流体的流速，流量是流速与管道截面积的乘积，而其管道截面积和声道长度都是通过使用者输入的管道参数计算出来的。我们在实际测量过程中，管道参数大都是根据设计图纸或咨询工艺技术人员，因客观原因无法现场就地实测管道各参数。这些参数的准确与否直接影响到测量结果。
（2）在小管上使用便携式超声波流量计进行流量测量时，管道内径输入不准确所引起的误差较大。我们通过多次测量发现，内径输入的绝对误差同样是1mm，那么对DN900管线来说其内径相对误差为0.1%；而对DN100管线来说其内径相对误差为1.0%。而流量是与内径的平方（管道内径截面积）成正比的，同样是1mm的内径测量误差对DN900管线所带来的流量测量误差仅约0.3%，而对于DN100管线所带来的流量测量误差却约3%。
（3）测量时直管段距离不能完全保证。我们在进行流量测量时，流量计安装的上游、下游必须有管径10倍和5倍以上的直管段，而在实际使用时，被测管大多是地埋或阀门井内，经常很难找到满足规程要求的安装位置，一般上游管都安装弯头、阀门、泵、阀等，当流量计安装位置上游直管段长度保证不了10倍管径，测量值波动大，测量误差会大于10%。
（4）探头安装方式及方位不同带来的误差。我们在实际测量过程中，流量计探头安装有两种方式：V法和Z法。一般情况下管径D＞200mm时选用Z法，管径D＜200mm时选用V法。而Z法安装声程短，信号虽强，探头定位难度大，容易产生安装误差。
（5）管圆度的影响。刚出厂的超声波流量计都是在实验室标准管上标定合格后出厂供给用户使用的。而我厂在实际测量过程中，使用的管道大都是卷焊管，截面不完全是圆形。当超声波流量计根据输入的管道参数计算的面积小于实际面积时，流量测量值偏小（如图3），反之则偏大（如图4）。
5 实际测量误差修正
针对我厂所使用的便携式超声波流量计在测量过程中存在的测量误差，我们不断查找资料、咨询厂家，介于测量条件很难达到标准测量条件的情况下，我们找出了一些适合我厂在测量过程中测量误差修正的办法。
（1）仪表系数K值标定。任何仪表在使用前都需要检定或校准，超声波流量计在出厂时，经厂家标定仪表系数K均为1.000。在实际测量过程中由于管道参数、管道表面处理的光洁度、管道外形、测量点直管段距离不满足要求等等因素，造成测量结果误差较大。考虑到以上误差产生的因素，我们在实际测量中，用流量标准装置或在线仪表来标定DCT7088便携式超声波流量计，得到不同管径的仪表K系数，再用DCT7088便携式超声波流量计输入相应管径的K系数进行流量测量。在测DN300mm以下的管道流量时，我们在流量标准装置上对超声波流量计进行检定，得出一个仪表系数，作为DN300mm以下管线测量的仪表系数。因我厂没有大口径标准流量检定装置，对于DN400mm～DN900mm的管道我们以在线仪表作为标准表或库容法，来标定超声波流量计，不同管径的管线得到不同的仪表系数。通过不同管径仪表系数的标定，减少了DCT7088便携式超声波流量计在各种口径管道的测量误差。
（2）选择最佳测量位置。测量点最佳位置的选择我们是通过在同一条管线不同位置多次反复测量后与在线仪表比对或与供水工艺相联系得到，并砌井作为超声波流量计专门的测量井。为了确保超声波流量计测量准确度，我们测量点位置尽量远离弯管、三通、节流阀、缩颈管、阻尼孔或能引起紊流的管段，确保测量点直管段上游直管段为10D，下游直管段为5D。测量点的管道表面条件要光滑并打磨到露出金属本色。
（3）图形分析法。在DCT7088便携式超声波流量计安装图形分析软件，在流量测量时调整两个发射器位置，使流量信号接收、信号质量及流量图形达到最佳状态时的流量值就是此时的流量测量值。
6 结语
经过我们不断地摸索，目前掌握了超声波流量计的测试方法和如何修正测量误差，使超声波流量计在工业测量上发挥着重要的应用。(end)
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(12/18/2012) |
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