1 前言
目(mù)前，工業領(lǐng)域面(miàn)臨着(zhe)能源(yuán)過度的(de)問題，節能減(jiǎn)排已成爲大型(xíng)生産企(qǐ)業(yè)急需解決的課題。 流量計(jì) 作爲生産線(xiàn)的重要計量(liàng)器具，不僅是直(zhí)接反映生産能耗的基礎設備(bèi)，也是控制(zhì)能耗(hào)的首要環(huán)節。由(yóu)于生産計劃，許(xǔ)多企業的流量計無(wú)法(fǎ)被卸下而需(xū)要在線校(xiào)準。 超聲波(bō)流量計 作爲(wèi)一種精(jīng)度高、非接觸式、易攜帶安裝的(de)計量器具(jù)，廣泛被應用于(yú)流量(liàng)計的在線校準。因此，本文介紹(shào)如何(hé)應用(yòng)超聲波流(liú)量計在線校(xiào)準浮子流量(liàng)計 并(bìng)對其過程(chéng)進行測量(liàng)不确(què)定度(dù)的評定。
2 超(chāo)聲波流量計工作原理(lǐ)
超聲波(bō)在流體中的(de)傳(chuán)播速度(dù)與流體(tǐ)的流速有關。沿流體(tǐ)的(de)順流方(fāng)向，超聲波的傳(chuán)播速度增大；逆流方(fāng)向的傳播速度減小。同一(yī)超聲波沿(yán)流體(tǐ)不同(tóng)流向産生(shēng)了時間差，該差(chà)值與流體的流(liú)速存在(zài)一定的(de)關系。假(jiǎ)設直段(duàn)管道内有(yǒu)2個超(chāo)聲波傳感器(qì)，傳(chuán)感器(qì)1位于(yú)流體上遊(yóu)，傳(chuán)感器2位(wèi)于流(liú)體(tǐ)下遊，則(zé)傳感器之(zhī)間存(cún)在如下(xià)關(guān)系(xì)：
 （1）
（2）
式(shì)中：l—兩(liǎng)個超聲波(bō)傳感器(qì)之間的直線(xiàn)距(jù)離；
t12—沿流(liú)體逆向，超(chāo)聲波(bō)從傳感器1傳播(bō)至傳感器(qì)2所用(yòng)的時間；
t21—沿(yán)流體(tǐ)順向(xiàng)，超聲波從傳感器(qì)2傳播至(zhì)傳感器1所用的(de)時間(jiān)；
c—超聲波在(zài)靜止流(liú)體(tǐ)中的傳播速(sù)度；
x—l在管(guǎn)道中沿管(guǎn)道軸(zhóu)向的分量。
根據上式可知(zhī)：當傳(chuán)感器的位置和(hé)管道幾何參數(shù)爲已(yǐ)知量(liàng)，則流(liú)體的流速正比于時間項。
3 浮子(zǐ)流量計在線測(cè)量
3.1 校準環(huán)境與(yǔ)安裝(zhuāng)條(tiáo)件(jiàn)
超聲(shēng)波流量計是根(gēn)據超聲波(bō)在管道内(nèi)傳(chuán)播(bō)時間(jiān)差反(fǎn)映流體流(liú)速(sù)的，所以被測(cè)段的流體(tǐ)狀态對測(cè)量結果影(yǐng)響很大。測量時(shí)，應避(bì)免被測段(duàn)的流體處于湍流狀(zhuàng)态。一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）計量現場(chǎng)應無(wú)明顯(xiǎn)振動，周圍(wéi)無電(diàn)磁幹擾。
（2）探(tàn)測器安裝位置(zhì)的上遊直管段(duàn)長度至少(shǎo)爲管徑的(de)10倍(bèi)以上，下(xià)遊的直管段長(zhǎng)度至少爲(wèi)管(guǎn)徑的5倍以上(shàng)；上遊(yóu)30倍管徑的沿程(chéng)内應沒(méi)有(yǒu)擾流(liú)因素(sù)，比(bǐ)如泵、閥(fá)引起的流速(sù)分布不均(jun1)勻(yún)。
（3）管道(dào)始終充滿(mǎn)流體，流體内不能含有(yǒu)大量的氣泡(pào)或異物。
（4）對于(yú)水(shuǐ)瓶管道，爲(wèi)了避免滞(zhì)留(liú)空氣或(huò)沉積(jī)物影響測量結(jié)果(guǒ)，在(zài)水平(píng)面的±45°内安裝探(tàn)測器(qì)。避免将探(tàn)測器(qì)安(ān)裝在管道變(biàn)形、凸起或(huò)焊接部分(fèn)。
（5）如管道表(biǎo)面有塗層、腐蝕班或(huò)是不(bú)平整，用(yòng)油漆稀釋劑和砂紙清(qīng)除。
（6）查(chá)看被檢的(de)浮子流量計是(shì)否有洩漏、振動(dòng)的情況(kuàng)，刻度是否清晰，便于觀(guān)察。
（7）對于1.0和1.5級的浮子流量計，安(ān)裝傾斜角(jiǎo)度不應超(chāo)過2°；2.5級及以(yǐ)下的浮子(zǐ)流量(liàng)計不應(yīng)超過5°。
3.2 探(tàn)測法的選(xuǎn)擇(zé)
根據探(tàn)測(cè)器的分布位置，探(tàn)測法(fǎ)分爲(wèi)v法和z法。v法(fǎ)：兩探測器(qì)均處(chù)于管道外同側(cè)，探測器之(zhī)間連線與(yǔ)管(guǎn)道(dào)軸線(xiàn)平行。z法：兩探測(cè)器(qì)處于(yú)管道外(wài)兩側，兩(liǎng)探(tàn)測器(qì)之間(jiān)連(lián)線與管(guǎn)道軸(zhóu)線(xiàn)交叉。在下列(liè)情(qíng)況下使(shǐ)用z法：
（1）需要節省(shěng)安裝空(kōng)間(jiān)（z法的安裝空(kōng)間約爲(wèi)v法的(de)一半）。
（2）需要測量污水(shuǐ)等渾(hún)濁(zhuó)的(de)流體。
（3）管道(dào)内有砂(shā)漿襯裏(lǐ)或是(shì)較(jiào)厚水垢(gòu)。
3.3 測量(liàng)步(bù)驟
（1）确認(rèn)管道(dào)的内(nèi)、外徑(jìng)；對于(yú)非标準的管道(dào)，用遊标卡(kǎ)尺和(hé)測厚(hòu)儀等(děng)工具測(cè)量管道的外徑與(yǔ)壁厚(hòu)。
（2）在儀(yí)表中輸入(rù)相關參數：管道(dào)内、外徑；管道材(cái)料；流體介質；探測法類型等。
（3）待儀表調零後确(què)定探(tàn)測器安裝(zhuāng)距離(lí)。
（4）在探測器表面塗上适量(liàng)矽脂，根據(jù)“安裝(zhuāng)條件(jiàn)”安裝(zhuāng)探測(cè)器，查看(kàn)超聲波信号接受是否(fǒu)正常。
（5）待被(bèi)檢流量計與超聲波(bō)流(liú)量計(jì)讀數穩(wěn)定後，讀取兩儀表的(de)流量值，計(jì)算示值誤(wù)差。
3.4 注(zhù)意事(shì)項(xiàng)
（1）當超聲波流(liú)量計信号(hào)異常或是無信(xìn)号時，查(chá)看管道(dào)表面是(shì)否(fǒu)有塗(tú)層、探(tàn)測器(qì)是否(fǒu)緊(jǐn)貼管道表面。在排除上述問(wèn)題但仍信(xìn)号異常的(de)情(qíng)況下，查(chá)看現場(chǎng)周圍是(shì)否有電磁幹擾(rǎo)，比如：大功(gōng)率水泵、變(biàn)頻器、變壓(yā)器等。
（2）當(dāng)測(cè)量值與被檢示值存(cún)在明顯(xiǎn)偏(piān)差時(shí)，查看(kàn)探測器安(ān)裝位(wèi)置是否合理。在滿(mǎn)足(zú)安裝(zhuāng)條件的(de)情(qíng)況下(xià)，盡可能對安裝(zhuāng)位置(zhì)做調(diào)整：同(tóng)一條管道布置(zhì)有高低(dī)時，探測器安裝在較低(dī)的管路上；探測(cè)器盡(jìn)量不要(yào)靠(kào)近管路的終端；盡量(liàng)選擇流體(tǐ)向上流(liú)動的管路安(ān)裝探(tàn)測器(qì)；管路内結(jié)垢嚴(yán)重，更(gèng)換管(guǎn)路。
（3）當(dāng)測量值(zhí)存在明(míng)顯波動時，适當(dāng)設置阻(zǔ)尼(ní)參數(shù)，延長響應時間(jiān)。
（4）當流(liú)量發(fā)生變(biàn)化但(dàn)測量值保(bǎo)持不(bú)變時，檢查管(guǎn)道(dào)規格是否(fǒu)正确；探測(cè)器是(shì)否安裝在焊接(jiē)部分(fèn)；探(tàn)測(cè)器安裝尺寸是(shì)否正(zhèng)确；探測器(qì)表面(miàn)是否(fǒu)塗有(yǒu)足夠(gòu)的潤(rùn)滑脂；嘗試(shì)更換探(tàn)測(cè)法類型；避免使用加(jiā)長電纜。
4 不确定(dìng)度評定實例
本(běn)文利用超聲波流量計在線校(xiào)準浮(fú)子(zǐ)流(liú)量計(jì)，流量範(fàn)圍(wéi)：（16～160）l/min，流體(tǐ)介質爲水(shuǐ)。
4.1 測量(liàng)模型(xíng)
利用超聲(shēng)波流(liú)量(liàng)計(jì)在線(xiàn)計量浮子(zǐ)流量(liàng)計，相(xiàng)當(dāng)于采用(yòng)标準表法進行(háng)計量(liàng)。标準流量計和被(bèi)檢流量(liàng)計串聯在(zài)現有(yǒu)的流量(liàng)管(guǎn)道上(shàng)，刻度狀态相同，流量無需(xū)經過(guò)修正。示值誤差(chà)根據(jù)下(xià)式：
（3）
式中：qm—被檢浮子(zǐ)流量(liàng)計的(de)流量顯(xiǎn)示(shì)值，l/min；
qv—标準超(chāo)聲波(bō)流量計(jì)的流量(liàng)實際值，l/min；
qmax—被(bèi)校流量(liàng)計的上(shàng)限刻(kè)度值，l/min。
标準(zhǔn)不确(què)定度：
 
靈敏(mǐn)系數(shù)：c1=1/qmax；c2=-1/qmax
4.2 不确定(dìng)度的來(lái)源：
（1）輸入量(liàng)qm的不确定(dìng)度(dù)
測量的(de)重複性(xìng)引(yǐn)入的(de)不确(què)定度(dù)：u（qm）
浮子流量計在80l/min時，對被檢(jiǎn)流量(liàng)計測(cè)量(liàng)10次，結(jié)果(guǒ)如表(biǎo)1。
表1
 
測量平均值(zhí) ，标準(zhǔn)方差(chà)s=0.13l/min，u（qm）= 。
（2）輸入量qv的不确定度：
①測量重(zhòng)複(fú)性或儀(yí)表分辨(biàn)力引(yǐn)入的不确定度(dù)：u1（qv）
超聲(shēng)波流(liú)量計在80l/min時，對被(bèi)檢流(liú)量計(jì)測量(liàng)10次，結(jié)果(guǒ)如表2。
表(biǎo)2
 
測量(liàng)平均(jun1)值 ，标(biāo)準方差s=0.022l/min，u1（qv）=
超聲(shēng)波流量(liàng)計分(fèn)辨(biàn)力引入(rù)的不(bú)确(què)定度：
儀(yí)表的分(fèn)辨(biàn)力爲(wèi)0.001l/min；按均勻分布(bù)計(jì)算k= ，則u1（qv）=0.00058l/min
在兩者中(zhōng)去較(jiào)大(dà)者，0.007l/min＞0.00058l/min，則u1（qv）=0.007l/min
②超聲波流量計示(shì)值誤(wù)差引入的(de)不确定度(dù)：
示值(zhí)誤差爲流(liú)量讀數的0.26%，按(àn)均勻分(fèn)布計算k=
則u1（qv）=83.007×0.26/ =0.125l/min
 
由以(yǐ)上數(shù)據合成标(biāo)準不确定度爲(wèi)：
 ，其擴展不确定(dìng)度爲(wèi)：u=k×uc=0.2%（k=2）
5 結果(guǒ)分析(xī)
由以上不确定(dìng)度的結果(guǒ)可以(yǐ)得出：測量不(bú)确(què)定度的來(lái)源主(zhǔ)要是(shì)超聲波流量計的示(shì)值誤差，其次(cì)是浮子(zǐ)流量計的(de)測量(liàng)重複性，最小的(de)是超聲波流量計的(de)測量重複(fú)性。
雖然不确定(dìng)度的來源(yuán)主要(yào)是标準器(qì)的精(jīng)度，但(dàn)是測量前期的(de)準備工作(zuò)，包括(kuò)：現場環境(jìng)與校準條件(jiàn)的(de)确認(rèn)，探測(cè)器安(ān)裝位置與(yǔ)探測(cè)法的(de)選擇(zé)等。這(zhè)些因素也很大程度影(yǐng)響了測(cè)量結果。

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