超聲波流量計測量誤差分析與處理方法

    國內目前超聲波流量計是技術相對成熟、正在推廣使用的一種新型電子流量計。超聲波流量計在設計、制造和使用等過程中存在的各類誤差，都會集中反映到它的測量結果中。因此，觀察誤差表象，分析其產生原因，抑制及消除誤差，對提高超聲波流量計測量準確度是非常重要的。超聲波流量計的測量誤差通常由系統誤差和隨機誤差組成。系統誤差可以通過測量與分析將其識別并校正，而隨機誤差則應通過制造水平提升及采用數據處理等方法將其抑制與削弱。
一、 超聲波流量計工作原理及測量不確定度分析
1.1 工作原理
目前，用于封閉管道飲用水計量的超聲波流量計幾乎均采用傳播時間法( transit-time) 原理進行工作，算法上則以速度差法或時間差法為主。圖1 是超聲流量計換能器對射與反射安裝時的測量原理圖，式( 1) ～式( 4)是速度差法和時間差法計算公式。超聲流量計時間差法計算線平均流速公式為:
式中: v 為管道內被測介質( 水) 的線平均流速; c 為超聲波在介質中的傳播速度; D 為測量管道內徑; L 為兩反射片之間的中心距離; φ 為兩換能器安裝軸線與管道軸線之間的夾角; Δt 為超聲波傳播時間差( Δt =t2－1) ; t1、t2為超聲波在介質中的正、逆向傳播時間( 即從換能器1 或2 至換能器2 或1 的傳播時間) 。從上述公式可知，時間差法計算公式與超聲波在介質中的傳播速度 c 有關，因此當被測介質溫度、壓力等物性參數改變時，超聲波傳播速度就會隨之改變，導致測量結果出現誤差; 而速度差法由于在公式中消去了聲速項 c 的影響，通常情況下就不需要聲速補償了。

1.2 測量不確定度分析
以式( 4) 的反射式速度差法計算公式為例，對單聲道超聲波流量計的測量不確定度進行分析。式( 5) 是在式( 4) 基礎上進行體積流量計算的公式。
 ( 5)式中: qv為體積流量; S 為測量管內圓截面積; kh為流速分布校正系數。
不確定度主要來自以下三部分:1) 流速分布校正系數 kh;2) 測量管的幾何參數; 3) 測量時間。體積流量的相對不確定度是由其全微分方程除以 qv獲得的，
由于上述參數都相互獨立，因此各分項的平方
( 即各相對不確定度的平方) 可以由下式表達:
式中: Eqv為體積流量相對不確定度; Ekh為流速分布校正系數相對不確定度; ED為管道直徑相對不確定度;EL為中心距長度相對不確定度; Et1為傳播時間 t1相對不確定度; Et2為傳播時間 t2相對不確定度。這些不確定度通常是由管道內流場擾動、測量管道加工、信號檢測、時間測量及處理等因素、技術、方法引起的，如: 測量時受到橫向( 漩渦) 流、脈動流、流速分布畸變、溫度壓力變化等干擾，管道內壁粗糙度、管道尺寸及形狀、環境電磁場、內部電子熱噪聲、電路計時分辨力、計時算法及計時啟停點準確度等影響。

二、系統誤差分析

系統誤差是一種有確定性變化規律的誤差，因此可以通過修正或校正方法削弱其影響。構成超聲流量計系統誤差的因素較多，以下結合不確定度分析對主要影響因素予以分項討論，提出消除誤差的方法。2． 1.1線平均流速 v 與面平均流速 v 之間的非線性誤差超聲流量計測得的流速值是超聲波被測介質傳播路徑上線流速的平均值，稱為線平均流速 v，而評定管道
流量用的流速則是面平均流速 v，在不同雷諾數測量條件下它們之間具有某種函數關系，見圖2，因而需要引入速度分布校正系數 kh來消除該項誤差。進行線、面平均流速校正的前提條件是，管道內的流速分布必須是經充分發展的對稱流。圖2 線、面平均流速之間的函數關系當管道內流體流動處于層流狀態( 即雷諾數 Ｒe≤2 000) 時，線平均流速與面平均流速之間的關系為:流量計流量測量范圍通常很寬，一般都能覆蓋到上述三個流動區域。線與面平均流速在三個流動區域之間的函數關系見圖 2。除了過渡流區域，其他兩個區域均可通過設立校正系數將兩者誤差消除或削弱。
2.2 加工、裝配誤差
由式( 1) ～式( 4) 可知，制造過程中因測量管內徑D、兩反射片中心距離 L、換能器安裝軸線與管道軸線夾角 φ 等參數偏離設計值，會使測量結果出現系統偏離的情況。因加工誤差屬系統誤差范疇，可以用一校正系數予以修正。
2.3 管道內壁粗糙度影響
管道內壁過大的粗糙度會造成管道內徑值和流速
布狀態的變化。在湍流流動時，管壁粗糙度對流速分布很敏感，它會導致管內流速分布趨于彎曲，使線、面流速校正出現偏差，見圖 3。內壁粗糙度的影響也可以通過改變校正系數予以修正。圖3 管壁粗糙度對流場分布曲線的影響
2.4 超聲波在非測量段傳播時產生的時延誤差
超聲波信號在被測介質中的傳播時間比較短，一般都在微秒( μs) 量級上，因此超聲波沿導線、電子電路、換能器等非被測介質傳播時產生的時延誤差就不能忽略不計了。超聲波經過這些部分的時延是個恒定值，同樣可以采用校正方法將其予以修正。
2.5 常壓下溫度變化引起的誤差
假設管道內水的壓力無突變，對于 T30 冷水流量計而言，在額定工作范圍內的溫度變化接近為30 ℃。介質和環境溫度變化會導致測量管幾何形狀發生一定的形變量，產生幾何量誤差。溫度變化一般符合式( 10)規律，因此可以通過檢測管道內外溫度變化對其幾何尺寸及形狀誤差進行補償。