大口徑超聲流量計(jì)延時(shí)誤差的安裝前校準(zhǔn)*

曹　鵬　孟　濤　張　亮　胡鶴鳴　徐春榮

(1.河北大學(xué)，保定 071002；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029；3.南京申瑞電氣系統(tǒng)控制有限公司，南京 210000)

0　引言

由時(shí)差法超聲流量計(jì)原理可知，流量測(cè)量相關(guān)參數(shù)有管道直徑D、聲道長(zhǎng)度L、聲速C、聲道角φ和時(shí)間差Δt。為減少各項(xiàng)參數(shù)給流量計(jì)算所帶來(lái)的誤差，需要保證D、L、C、φ、Δt每一項(xiàng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，本論文針對(duì)超聲流量計(jì)其中一項(xiàng)參數(shù)——傳播時(shí)間進(jìn)行研究，超聲平均傳播時(shí)間是參與流速計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)之一，其測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響流量測(cè)量結(jié)果的可靠性。流量計(jì)算的傳播時(shí)間是指超聲波由換能器的發(fā)射面發(fā)出穿過(guò)被測(cè)介質(zhì)到換能器接收面接收為止，即超聲通過(guò)兩探頭間固定聲道長(zhǎng)度的傳播時(shí)間。而流量計(jì)實(shí)測(cè)時(shí)間還包括了電信號(hào)的線纜延時(shí)、軟硬件電路運(yùn)算延時(shí)以及超聲波穿過(guò)探頭前端的匹配層、保護(hù)層所產(chǎn)生的延時(shí)等[1]，這些延時(shí)會(huì)直接影響傳播時(shí)間的計(jì)算。

由系統(tǒng)自身原因所產(chǎn)生的計(jì)時(shí)誤差統(tǒng)稱為延時(shí)誤差，延時(shí)誤差對(duì)流量測(cè)量準(zhǔn)確度的相對(duì)影響與流量計(jì)口徑相關(guān)，口徑越小影響越顯著。對(duì)大口徑超聲流量計(jì)來(lái)講，通常認(rèn)為延時(shí)誤差量級(jí)相對(duì)較小，大部分流量計(jì)廠家采用相對(duì)粗放的理論計(jì)算方式進(jìn)行修正。但實(shí)際使用中，由于線纜較長(zhǎng)，軟硬件電路運(yùn)算延時(shí)等原因，延時(shí)可達(dá)幾個(gè)微秒，在這種情況，計(jì)算本身誤差較大，其結(jié)果必然不準(zhǔn)確，會(huì)對(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生明顯影響。

在JJF 1358—2012《非實(shí)流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計(jì)》[2]中已對(duì)延時(shí)誤差的校準(zhǔn)給出了實(shí)驗(yàn)方法。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，三峽電站已安裝的流量計(jì)只能采用現(xiàn)場(chǎng)聲速校準(zhǔn)的方法對(duì)流量計(jì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，但聲速測(cè)量容易受系統(tǒng)、裝配條件、環(huán)境等因素的影響[3]，檢查所帶來(lái)的不確定度較大，檢查結(jié)果并不適用于對(duì)流量計(jì)的修正。在本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，恰逢溪洛渡電站流量計(jì)到貨且準(zhǔn)備安裝，經(jīng)流量計(jì)廠家協(xié)調(diào)配合，在實(shí)驗(yàn)室完成了溪洛渡9#機(jī)組流量計(jì)的延時(shí)校準(zhǔn)。

1　延時(shí)誤差校準(zhǔn)裝置及實(shí)驗(yàn)

1.1　延時(shí)裝置基本原理

該延時(shí)裝置基于水溫恒定的靜水中超聲波聲速基本保持一致，聲波信號(hào)在整個(gè)系統(tǒng)中往返延時(shí)Δt相同的特點(diǎn)，把參與計(jì)算的時(shí)間參數(shù)作為變量，如圖1，通過(guò)調(diào)節(jié)聲道長(zhǎng)度的變化，精確測(cè)量聲波實(shí)際傳播時(shí)間，得到系統(tǒng)帶來(lái)的延時(shí)誤差Δt。

圖1　超聲傳播時(shí)間校準(zhǔn)裝置原理圖

如圖1所示，利用兩個(gè)精確測(cè)量的傳播距離L1和L2，分別測(cè)量得到聲波在傳播距離L1和L2上的傳播時(shí)間t1和t2，而實(shí)際水域中的傳播時(shí)間為t1+Δt和t2+Δt，因此，根據(jù)聲速在相同環(huán)境和介質(zhì)中的一致性得到：

(1)

若無(wú)法完全保證一長(zhǎng)一短兩次測(cè)量過(guò)程中溫度完全一致，而溫度的變化會(huì)對(duì)聲速帶來(lái)影響，因此，上式可進(jìn)一步改為：

(2)

1.水槽；2.注水口；3.排水口；4.滑軌；5、6.被測(cè)流量計(jì)探頭；7.流量計(jì)主機(jī)；8.滑動(dòng)探頭夾裝機(jī)構(gòu)；9.固定探頭夾裝機(jī)構(gòu)；10.石英棒；11.溫度傳感器；12.溫度采集器

1.2　延時(shí)校準(zhǔn)裝置

探頭間距的選擇及控制精度是裝置設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，裝置的測(cè)量精度與超聲探頭在裝置上定位精度密切相關(guān)，如圖2所示，裝置對(duì)探頭間距離控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，使探頭間距離控制精度可以達(dá)到0.05mm以內(nèi)，大大提高了探頭間距離測(cè)量不確定度水平。

本裝置其它誤差來(lái)源對(duì)延時(shí)誤差的貢獻(xiàn)量較小，通過(guò)溫度修正可以降低由于兩次測(cè)量中溫度變化引起的誤差，溫度測(cè)量采用準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1℃的鉑電阻。

2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及處理

2.1　18聲道超聲流量計(jì)系統(tǒng)延時(shí)校準(zhǔn)

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)選擇了即將安裝的溪洛渡電站9#機(jī)組流量計(jì)。流量計(jì)為18聲道，按照Gauss-Jacobi方式[6]布置探頭(如圖3)， 每個(gè)換能器的電纜長(zhǎng)度

圖3　18聲道超聲流量計(jì)聲道布置示意圖

為90m，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，流量計(jì)廠家已按照其技術(shù)規(guī)范計(jì)算得到其延時(shí)誤差為8.4μs，并已置入流量計(jì)算機(jī)中。

將18對(duì)探頭依次分別安裝在延時(shí)校準(zhǔn)裝置上，延時(shí)校準(zhǔn)裝置共配備了3種長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)距，分別為1000mm、300mm及200mm，采用不同組合對(duì)每對(duì)探頭測(cè)試3次，取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理方法如式(2)所示。

聲道長(zhǎng)度按照18聲道流量計(jì)安裝管徑為10m(設(shè)計(jì)值)，依據(jù)Gauss-Jacobi探頭布置方法計(jì)算得到；理論傳輸時(shí)間是在靜水狀態(tài)下，水溫為20℃，水中聲速為1480m/s估算得到。如圖4所示，黑色線表示理論傳輸時(shí)間，符合換能器探頭布線方式，白色柱表示各聲道平均延時(shí)的情況。各聲道中最長(zhǎng)聲道長(zhǎng)度為11.034m，理論傳輸時(shí)間為7455.4μs；最小為3.410m，理論傳輸時(shí)間2304.1μs；各聲道平均延時(shí)誤差絕對(duì)值最大為3.3468μs，絕對(duì)值最小為3.0430μs，平均值為3.2204μs。引入的流速測(cè)量誤差最大值為-0.15%，出現(xiàn)在Path9；最小值為-0.04%，出現(xiàn)在Path4、Path5和Path14。

圖4　各聲道實(shí)測(cè)平均延時(shí)

經(jīng)延時(shí)校準(zhǔn)裝置標(biāo)定后，在滿足設(shè)定的聲道長(zhǎng)度下，每一聲道實(shí)測(cè)平均延時(shí)基本保持在-3～-3.35μs之間，由此對(duì)流量計(jì)流速測(cè)量造成的誤差在0.1%左右，其貢獻(xiàn)量是比較大的。相對(duì)于系統(tǒng)設(shè)定延時(shí)8.4μs偏差約38.1%，修正后，系統(tǒng)延時(shí)的設(shè)定值延時(shí)為5.0532～5.3570μs。

2.2　流量計(jì)安裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在相同的測(cè)量條件下，經(jīng)過(guò)延時(shí)誤差校準(zhǔn)，各聲道聲速測(cè)量結(jié)果將趨于一致，在溪洛渡電站9#機(jī)組流量計(jì)安裝好之后，調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)聲速測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5　9#機(jī)組流量計(jì)平均聲速

如圖5，各聲道聲速測(cè)量的一致性整體上是非常好的，根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算得到，18條聲道的一致性為99.97%。流速為4.415m/s狀態(tài)下，各聲道聲速的標(biāo)準(zhǔn)偏差大約為0.089m/s，各聲道聲速基本保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，驗(yàn)證了靜水狀態(tài)延時(shí)校準(zhǔn)裝置修正系統(tǒng)延時(shí)的有效性。

3　結(jié)論

由圖4可以看到，每條聲道的平均延時(shí)比較接近，說(shuō)明每條聲道的一致性較好；各聲道平均延時(shí)平均值約為-3.2μs，其含義可以理解為流量計(jì)算機(jī)置入的8.4μs偏大了約3.2μs。用平均延時(shí)除以理論傳輸時(shí)間即可得到由于延時(shí)修正不準(zhǔn)確引入單條聲道流速測(cè)量的誤差，該誤差在管道邊壁聲道最大，達(dá)到0.15%，而管道中心聲道誤差約為0.05%；由于在計(jì)算流量時(shí)，各聲道的權(quán)重系數(shù)不同，因此，在評(píng)估延時(shí)對(duì)流量測(cè)量影響時(shí)，也采用加權(quán)平均的方法，計(jì)算得到延時(shí)引入流量的誤差約為0.06%，而為流量計(jì)重新置入延時(shí)修正值(校準(zhǔn)后設(shè)定值)后，延時(shí)誤差可被基本消除。由溪洛渡電站9#機(jī)組流量計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到，現(xiàn)場(chǎng)18聲道超聲流量計(jì)聲速相對(duì)一致性較好，表明裝置的系統(tǒng)延時(shí)得到了有效修正，滿足大口徑超聲流量計(jì)的使用需求。

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于該流量計(jì)，若不對(duì)延時(shí)進(jìn)行修正(流量計(jì)設(shè)置修正值為0)，延時(shí)誤差將會(huì)引起流量超過(guò)0.1%的誤差。由此可見(jiàn)，即便對(duì)于超大口徑流量計(jì)，延時(shí)誤差的有效消除也能明顯提高流量計(jì)的準(zhǔn)確度，而相比原有的延時(shí)計(jì)算方法，項(xiàng)目中使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法亦不復(fù)雜。從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中進(jìn)一步分析得到：若已知被測(cè)流量計(jì)各聲道延時(shí)一致性較好，如換能器為同一批號(hào)、電纜材質(zhì)長(zhǎng)度相同、共用一套時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)等，實(shí)驗(yàn)可簡(jiǎn)化為僅測(cè)幾個(gè)典型聲道延時(shí)即可，用典型聲道的延時(shí)數(shù)據(jù)為每條聲道進(jìn)行修正，其引入的誤差是完全可以接受的，實(shí)驗(yàn)量則得到進(jìn)一步減少，增加了實(shí)驗(yàn)的可操作性。

本實(shí)驗(yàn)中反映出的另一個(gè)問(wèn)題，需要流量計(jì)的用戶和生產(chǎn)企業(yè)共同思考。近年來(lái)，流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的需求越來(lái)越多，但實(shí)際情況是在流量計(jì)安裝、投入使用后，很多校準(zhǔn)項(xiàng)目開(kāi)展非常困難，只能將校準(zhǔn)變?yōu)闄z查，而有些項(xiàng)目則根本無(wú)法進(jìn)行；若用戶能將校準(zhǔn)需求提前到流量計(jì)的安裝前，甚至是設(shè)計(jì)階段，并及時(shí)與相關(guān)的計(jì)量技術(shù)部門溝通，使得部分校準(zhǔn)項(xiàng)目可以在實(shí)驗(yàn)室完成，再通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)檢查相結(jié)合(本實(shí)驗(yàn)中溪洛渡電站9#機(jī)組流量計(jì)校準(zhǔn)作為例證)，在實(shí)驗(yàn)室延時(shí)校準(zhǔn)后，可在現(xiàn)場(chǎng)檢查流量計(jì)各聲道聲速測(cè)量情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行核查，這將是解決流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)困難的一條有效路徑。另一方面，對(duì)于流量計(jì)生產(chǎn)企業(yè)，也應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)產(chǎn)品的出廠檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)安裝后的調(diào)試，將操作方法規(guī)范到JJF 1358—2012《非實(shí)流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計(jì)》上，這將為后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)及周期校準(zhǔn)奠定良好基礎(chǔ)。

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